NO165046B

NO165046B - OPTO-ELECTRONIC ANGLE MEASUREMENT SYSTEM.

Info

Publication number: NO165046B
Application number: NO881579A
Authority: NO
Inventors: Alf Pettersen; Oeyvind Roetvold
Original assignee: Metronor As
Priority date: 1988-04-12
Filing date: 1988-04-12
Publication date: 1990-09-03
Also published as: NO165046C; NO881579D0; NO881579L

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en opto-elektronisk anordning for måling av vinkler, fremgangsmåter for kalibrering av nevnte anordning for måling av vinkler i to dimensjoner, samt bruk av denne i systemer for posisjons- og geometr imåling. The present invention relates to an opto-electronic device for measuring angles, methods for calibrating said device for measuring angles in two dimensions, as well as its use in systems for position and geometry measurement.

Nærmere bestemt vedrører oppfinnelsen en opto-elektronisk måler for måling av retningen i to dimensjoner til punktformede aktive lyskilder eller punkter belyst av aktive lyskilder, som angitt i ingressen av krav 1. Nevnte opto-elektroniske vinkelmåler er kalibrert en gang for alle for måling av vinkel i to dimensjoner (romlig retning) til lyskilder eller lysreflekser, ved bruk av en høy-presisjons vinkelreferanse. More specifically, the invention relates to an opto-electronic meter for measuring the direction in two dimensions of point-shaped active light sources or points illuminated by active light sources, as stated in the preamble of claim 1. Said opto-electronic protractor is calibrated once and for all for measuring angle in two dimensions (spatial direction) to light sources or light reflectors, using a high-precision angular reference.

Oppfinnelsen inkluderer fremgangsmåter for gjennomføring av nevnte kalibrering av nevnte vinkelmåler for måling av vinkel i to dimensjoner til en lyskilde eller et punkt belyst av en lyskilde. The invention includes methods for carrying out said calibration of said protractor for measuring the angle in two dimensions of a light source or a point illuminated by a light source.

Videre vedrører oppfinnelsen et generelt opto-elektronisk system for måling av romlige koordinater for en eller flere lyskilder eller punkter belyst av en eller flere lyskilder, basert på et minimum av to vinkelmålere som angitt i ingressen av krav 4. Furthermore, the invention relates to a general opto-electronic system for measuring spatial coordinates for one or more light sources or points illuminated by one or more light sources, based on a minimum of two protractors as stated in the preamble of claim 4.

Berøringsfri geometrimåling er tidligere utført enten ved bruk av teodolitter, eller ved fotogrammetriteknikk. Non-contact geometry measurement has previously been carried out either using theodolites or by photogrammetry techniques.

En konvensjonell teodolitt siktes manuelt inn mot målepunktet, og vil derfor bare kunne anvendes der antall målepunkter er relativt lite, og der tiden det tar å gjennomføre målingen er ukritisk. Innenfor denne teknologien er det kjent servostyrte helautomatiske teodolitter fra firmaene Kern og Wild Leitz. Slike teodolitter kan rettes inn automatisk mot målepunkter av bestemt form og i tilnærmet kjent posisjon. Derved kan vinkler i to dimensjoner avleses automatisk. På grunn av den servokontrollerte mekaniske innretting av teodolitten mot målepunktene har systemet sterkt begrenset målehastighet. A conventional theodolite is manually aimed at the measuring point, and can therefore only be used where the number of measuring points is relatively small, and where the time it takes to carry out the measurement is not critical. Within this technology, servo-controlled fully automatic theodolites from the companies Kern and Wild Leitz are known. Such theodolites can be aligned automatically to measuring points of a specific shape and in an approximately known position. Angles in two dimensions can thereby be read automatically. Due to the servo-controlled mechanical alignment of the theodolite to the measuring points, the system has a severely limited measuring speed.

Fotogrammetriteknikker er tidligere hovedsakelig benyttet for kartlegging av terreng ved flyfotografering. Et konvensjonelt fotogrammetrikamera er bygget opp som vanlige fotografisk kamera basert på film, og har vanligvis optikk av høy kvali-tet. Måleprinsippet består i at romlig retning til et objekt bestemmes ut fra den registrerte posisjonen av avbildningen av objektet i filmplanet. Slike kameraer kalibreres ved avfotografering av et testfelt, bestående av avmerkede punkter i kjente koordinater. Dette gir et begrenset antall kalibreringspunkter, noe som har vært tilstrekkelig ved konvensjonell fotografisk teknikk. Photogrammetry techniques have previously been mainly used for mapping terrain in aerial photography. A conventional photogrammetry camera is built like a normal photographic camera based on film, and usually has high-quality optics. The measurement principle consists in the spatial direction of an object being determined from the recorded position of the image of the object in the film plane. Such cameras are calibrated by photographing a test field, consisting of marked points in known coordinates. This provides a limited number of calibration points, which has been sufficient with conventional photographic techniques.

Prinsipielt er både en teodolitt og et fotogrammetri kamera vinkelmålere. Det er derfor heller ingen prinsipiell forskjell i kalibrering for disse to teknikker. De to teknikkene har overlappende anvendelsesområder, og eksempelvis benyttes fotogrammetriske beregningsmetoder for behand-ling av måledata registrert ved bruk av teodolitt. In principle, both a theodolite and a photogrammetry camera are protractors. There is therefore no fundamental difference in calibration for these two techniques either. The two techniques have overlapping areas of application, and, for example, photogrammetric calculation methods are used for processing measurement data recorded using a theodolite.

Fotogrammetriteknikker har en viss utbredelse også for industrielle anvendelser. Dette gjelder særlig der antall målepunkter er stort, og der målingene må gjennomføres innen en kort tidsrom. Imidlertid har teknikken forsatt den vesentlige begrensing at den fotografiske filmen må fremkal-les kjemisk. Dette er en tidkrevende prosess som gjør det umulig å benytte teknikken i såkalte 'on-line' sammenhenger, hvor det er nødvendig med umiddelbar evaluering av måle-verdier etter hvert som de registreres. Photogrammetry techniques have a certain prevalence also for industrial applications. This applies in particular where the number of measurement points is large, and where the measurements must be carried out within a short period of time. However, the technique still has the significant limitation that the photographic film must be developed chemically. This is a time-consuming process that makes it impossible to use the technique in so-called 'on-line' contexts, where it is necessary to immediately evaluate measurement values as they are recorded.

Mekaniske målemaskiner utgjør den dominerende teknikk for geometrimåling I industrien. Dette gjelder for eksempel bilindustrien, der koordinatmålemaskiner benyttes til oppmåling av alle deler, f.eks. form og størrelse av karosserideler. Denne type målemaskiner er store og komplekse, kostbare, lite fleksible, samt berører overflaten. Mechanical measuring machines constitute the dominant technique for geometry measurement in industry. This applies, for example, to the car industry, where coordinate measuring machines are used to measure all parts, e.g. shape and size of body parts. This type of measuring machine is large and complex, expensive, inflexible, and touches the surface.

Etterspørselen etter automatiske, nøyaktige og berøringsfrie, geometrimålesystemer har ført til forskning og utvikling vedrørende anvendelser av opto-elektroniske sensorer. Måle-systemer basert på slike sensorer kan deles i tre kategorier avhengig av deres måleprinsipp: strukturert belysning, av-standsmåling (optisk radar) og trianguleringsteknikker. The demand for automatic, accurate and non-contact geometry measurement systems has led to research and development regarding applications of opto-electronic sensors. Measurement systems based on such sensors can be divided into three categories depending on their measurement principle: structured illumination, distance measurement (optical radar) and triangulation techniques.

Strukturert belysning er basert på projeksjon av lyspunkter eller linjer på en overflate for å måle dennes form, for eksempel ved Moiré teknikk. Karakteristiske egenskaper ved disse teknikkene er at det projiserte mønster avbildes med videokamera eller konvensjonell fotografi, og at en referanseflate eller et bilde av et referansemønster er nødvendig for å kalibrere systemet i den aktuelle måleoppstilling. Structured lighting is based on the projection of light points or lines on a surface to measure its shape, for example with the Moiré technique. Characteristic features of these techniques are that the projected pattern is imaged with a video camera or conventional photography, and that a reference surface or an image of a reference pattern is necessary to calibrate the system in the relevant measurement setup.

Avstandsmål ing er vanligvis basert på måling av tiden det tar en laserpuls å nå fra laseren til målepunktet og tilbake til sensoren. Denne teknikken gir stor oppløsning 1 dybde, men dårlig lateral oppløsning og begrenset måleområde. Distance measurement is usually based on measuring the time it takes a laser pulse to reach from the laser to the measuring point and back to the sensor. This technique provides high resolution 1 depth, but poor lateral resolution and limited measurement range.

Flere bedrifter produserer opto-elektroniske systemer basert på triangulering, for eksempel Seatex i Norge eller Sagem i Frankrike. Deres systemer benytter en enkelt opto-elektronisk sensor, og benytter laserstrålens retning som den andre kjente retningen i trianguleringsberegningene. Nøyaktigheten og stabiliteten i innrettingen av laserstrålen begrenser systemets målenøyaktighet, og kalibrering i måleoppstillingen er nødvendig. Systemet krever en fast og kjent avstand mellom laser og sensor, noe som begrenser fleksibiliteten i arbeidsområde . Several companies produce opto-electronic systems based on triangulation, for example Seatex in Norway or Sagem in France. Their systems use a single opto-electronic sensor, and use the direction of the laser beam as the other known direction in the triangulation calculations. The accuracy and stability of the alignment of the laser beam limits the system's measurement accuracy, and calibration in the measurement setup is necessary. The system requires a fixed and known distance between laser and sensor, which limits flexibility in the working area.

Med et system ifølge den foreliggende oppfinnelse tilsiktes at objekters posisjon, orientering og/eller overflategeometri kan registreres statisk eller dynamisk med høy presisjon, noe som i bare meget begrenset grad er mulig med eksisterende berøringsfrie måleteknikker. With a system according to the present invention, it is intended that the position, orientation and/or surface geometry of objects can be recorded statically or dynamically with high precision, which is only possible to a very limited extent with existing non-contact measurement techniques.

Bruk av elektro-optiske sensorer for vinkelmåling krever fullfelts kalibrering, dvs. at hele sensorens synsfelt kalibreres med et meget tett mønster av kalibreringspunkter. Dette kommer av variasjoner i sensorens indre geometri og følsomhet. Ved bruk av fullfelts kalibrering reduseres dessuten kravene til vinkelmålerens optikk. Dette krav til kalibrering gjelder enten vinkelmåleren skal benyttes som en teodolitt eller som et fotogrammetrisk kamera. The use of electro-optical sensors for angle measurement requires full-field calibration, i.e. that the sensor's entire field of view is calibrated with a very dense pattern of calibration points. This comes from variations in the sensor's internal geometry and sensitivity. When using full-field calibration, the demands on the protractor's optics are also reduced. This requirement for calibration applies whether the protractor is to be used as a theodolite or as a photogrammetric camera.

Ved den foreliggende oppfinnelse tilsiktes å gi en fullstendig automatisk og berøringsfri vinkelmåler som ved produksjonen er kalibrert med høy presisjon. Ingen ytter-ligere kalibrering er nødvendig i en måleoppstilling, med unntak av definisjon av koordinatsystemer. Videre er det ved den foreliggende oppfinnelse tilsiktet at vinkelmåleren ikke skal inneholde bevegelige deler, skal være lite følsom for bakgrunnsbelysning, samt tillate samtidig måling av vinkler mot flere punkter. The present invention aims to provide a fully automatic and contactless protractor which is calibrated with high precision during production. No further calibration is necessary in a measurement set-up, with the exception of definition of coordinate systems. Furthermore, with the present invention, it is intended that the protractor should not contain moving parts, should be insensitive to background lighting, and allow the simultaneous measurement of angles towards several points.

Ifølge oppfinnelsen kjennetegnes den innledningsvis nevnte måler ved According to the invention, the initially mentioned meter is characterized by

middel for å beregne nevnte retning ut fra posisjonen av avbildningen av nevnte lyskilder eller belyste punkter gjennom linse-enheten på sensormatrisen, basert på en kalibreringstabell lagret i nevnte middel, idet nevnte måler er kalibrert en gang for alle, hvoretter den kan benyttes til målinger på ulike steder uten å måtte kalibreres på ny, nevnte kalibrering er foretatt ved at det rotasjonssymmetriske punkt for nevnte vinkelmålers linseenhet først er bestemt, og at sammenhengen mellom romlig retning og posisjon på sensormatrisen deretter er funnet ved bruk av en høy-presisjons vinkelreferanse, og idet nevnte kalibreringstabell means for calculating said direction based on the position of the image of said light sources or illuminated points through the lens unit on the sensor matrix, based on a calibration table stored in said means, said meter being calibrated once and for all, after which it can be used for measurements on different places without having to be recalibrated, said calibration is carried out by first determining the rotationally symmetrical point for said protractor's lens unit, and that the relationship between spatial direction and position on the sensor matrix is then found using a high-precision angular reference, and said calibration table

er oppnådd ved bruk av lyskilder med en veldefinert og kjent spektralfordeling, og is achieved by using light sources with a well-defined and known spectral distribution, and

middel for statistisk analyse av intensitetsverdier for flere naboliggende matriseelementer for å forbedre oppløsning og nøyaktighet i vinkelmålingene til brøkdeler av størrelsen av sensorelementene. means for statistical analysis of intensity values for multiple adjacent array elements to improve resolution and accuracy in the angular measurements of fractions of the size of the sensor elements.

De fotofølsomme elementene kan eksempelvis være CCD- eller CID-følere. Linseenheten med sitt veldefinerte rotasjonssymmetrisk punkt vil gi en entydig definisjon av retningsbegrepet ved at alle punkter som befinner seg i samme retning relativt til dette punkt avbildes i samme punkt på føler-matrisen. The photosensitive elements can, for example, be CCD or CID sensors. The lens unit with its well-defined rotationally symmetrical point will provide a clear definition of the concept of direction in that all points that are in the same direction relative to this point are imaged at the same point on the sensor matrix.

Vinkelmåleren er utviklet for å måle retning til punkter i form av aktive lyskilder eller punkter belyst av aktive lyskilder. Dette gir sikker identifikasjon av målepunktene og muliggjør derfor helautomatisk bruk, samt at det gir et meget bra signal/støy-forhold, og derved bidrar til høy nøyaktig-het . The protractor has been developed to measure the direction of points in the form of active light sources or points illuminated by active light sources. This provides secure identification of the measuring points and therefore enables fully automatic use, as well as providing a very good signal/noise ratio, thereby contributing to high accuracy.

Ifølge oppfinnelsen kjennetegnes de innledningsvis nevnte fremgangsmåter for kalibrering av nevnte vinkelmåler ved According to the invention, the initially mentioned methods for calibrating said protractor are characterized by

at nevnte måler kalibreres en gang for alle, hvoretter den kan benyttes til målinger på ulike steder uten å måtte kalibreres på ny, hvilken kalibrering omfatter: bestemmelse av det rotasjonssymmetriske punkt for nevnte vinkelmålers linseenhet ved at det på måleren monteres en justerbar anordning for innfesting til dreiebord, i en posisjon svarende til kameraets rotasjonsakser, slik at om linseenhetens optiske akse definerer x-aksen, vil festeanordningen definere målerens z-akse og y aksen vil være definert ved ortogonalitet til både x- og z-aksen, at måleren monteres på et dreiebord og nivelleres slik at den optiske akse ligger that said meter is calibrated once and for all, after which it can be used for measurements in various places without having to be calibrated again, which calibration includes: determination of the rotationally symmetrical point for said protractor's lens unit by mounting an adjustable device for attachment to turntable, in a position corresponding to the camera's rotation axes, so that if the optical axis of the lens unit defines the x-axis, the attachment device will define the meter's z-axis and the y-axis will be defined by orthogonality to both the x- and z-axis, that the meter is mounted on a turntable and leveled so that the optical axis lies

i horisontalplanet, at minimum to lyskilder monteres i tilnærmet samme horisontale plan som målerens optiske akse, slik at en rett linje kan trekkes gjennom lyskildene og dreiebordets rotasjonsakse, og at innfestingen av måleren på dreiebordet justeres inntil de nevnte lyskildene avbildes i identiske horisontale posisjoner i sensormatrisens koordinatsystem når måleren dreies over hele sitt synsfelt, og at festeanordningen fikseres til måleren i denne posisjonen, in the horizontal plane, that at least two light sources are mounted in approximately the same horizontal plane as the optical axis of the meter, so that a straight line can be drawn through the light sources and the rotation axis of the turntable, and that the mounting of the meter on the turntable is adjusted until the aforementioned light sources are imaged in identical horizontal positions in the sensor matrix coordinate system when the meter is turned over its entire field of view, and that the attachment device is fixed to the meter in this position,

kalibrering av nevnte vinkelmåler for måling av vinkler relativt til nevnte to rotasjonsakser, ved bruk av en hovedsakelig vertikal lineær anordning bestående av enten et antall punktformede lyskilder eller reflekterende punkter montert langs en rett linje eller en belyst lineær innretning i form av for eksempel en tråd eller spalte med en lengde svarende til vinkelmålerens synsfelt i en dimensjon, ved: enten at vinkelmåleren monteres på et høy-presisjons dreiebord og nivelleres slik at en av dens rotasjonsakser er eksakt vertikal, parallell og sammenfallende med dreiebordets rotasjonsakse, og nevnte vertikale lineære anordning monteres parallelt med nevnte rotasjonsakse, ved at vinkelmåleren roteres stegvis og at avbildningen av nevnte vertikale lineære oppstilling og dreiebordets vinkel registreres for hvert steg, calibration of said protractor for measuring angles relative to said two axes of rotation, using a mainly vertical linear device consisting of either a number of point-shaped light sources or reflective points mounted along a straight line or an illuminated linear device in the form of, for example, a wire or slot with a length corresponding to the protractor's field of view in one dimension, by: either the protractor is mounted on a high-precision turntable and leveled so that one of its rotation axes is exactly vertical, parallel and coincident with the turntable's rotation axis, and said vertical linear device is mounted in parallel with said axis of rotation, in that the protractor is rotated step by step and that the image of said vertical linear arrangement and the angle of the turntable is registered for each step,

eller at vinkelmåleren monteres og nivelleres slik at en av dens rotasjonsakser er eksakt vertikal, og nevnte vertikale lineære anordning monteres parallelt med nevnte rotasjonsakse og i kjent avstand fra denne, og nevnte lineære vertikale anordning flyttes stegvis i en kjent retning hovedsakelig på tvers av målerens optiske akse, og at posisjonen av nevnte anordning og tilhørende avbildning registreres for hvert steg, or that the protractor is mounted and leveled so that one of its rotation axes is exactly vertical, and said vertical linear device is mounted parallel to said rotation axis and at a known distance from it, and said linear vertical device is moved step by step in a known direction mainly across the meter's optical axis, and that the position of said device and associated image is recorded for each step,

og at denne prosedyren gjentas for vinkelmålerens andre rotasjonsakse, for deretter å behandle alle data for å and that this procedure is repeated for the protractor's second axis of rotation, to then process all data to

beregne den matematiske relasjonen mellom romlig vinkel og posisjon av en avbildning på sensormatrisen, og å opprette nevnte to-dimensjonale kalibreringstabell som relaterer billedkoordinater til romlig retning i form av vertikal- og horisontalvinkler, calculate the mathematical relationship between spatial angle and position of an image on the sensor matrix, and to create said two-dimensional calibration table which relates image coordinates to spatial direction in the form of vertical and horizontal angles,

at nevnte kalibreringstabell oppnås ved bruk av lyskilder med en veldefinert og kjent spektralfordeling. that said calibration table is obtained by using light sources with a well-defined and known spectral distribution.

I henhold til oppfinnelsen foreslås to praktiske implementa-sjoner av nevnte lineære oppstilling av lyskilder benyttet for kalibrering av vinkelmåleren. Kalibreringsteknikken kan i alt vesentlig automatiseres, og muliggjør dermed kalibrering i et tilstrekkelig stort antall målepunkter til å sikre høy presisjon. According to the invention, two practical implementations of said linear arrangement of light sources used for calibrating the protractor are proposed. The calibration technique can essentially be automated, thus enabling calibration in a sufficiently large number of measurement points to ensure high precision.

Det innledningsvis nevnte system kjennetegnes ifølge oppfinnelsen primært ved According to the invention, the initially mentioned system is characterized primarily by

en eller flere kameraprosessorer for beregning av romlige retninger for nevnte lyskilder eller belyste punkt relativt til hver av vinkelmålerene ut fra posisjonene av avbildningen av nevnte lyskilder eller belyste punkter gjennom linse-enhetene på sensormatrisene, one or more camera processors for calculating spatial directions for said light sources or illuminated points relative to each of the angle meters based on the positions of the image of said light sources or illuminated points through the lens units on the sensor arrays,

en dataprosessor for beregning av lyskildenes eller de belyste punktenes koordinater ut fra de registrerte vinkeldataene, a data processor for calculating the coordinates of the light sources or the illuminated points based on the recorded angular data,

at nevnte dataprosessor inneholder midler for å bestemme relasjonene mellom vinkelmålerenes interne koordinatsystemer og et globalt koordinatsystem ved: enten at vinkelmålerenes posisjoner er kjent og at deres orientering beregnes ved måling av deres retning relativt et felles referansepunkt i form av en lyskilde eller et belyst punkt i en kjent posisjon, that said data processor contains means for determining the relationships between the protractors' internal coordinate systems and a global coordinate system by: either that the positions of the protractors are known and that their orientation is calculated by measuring their direction relative to a common reference point in the form of a light source or an illuminated point in a known position,

eller at nevnte dataprosessor er Innrettet for beregning av vinkelmålerenes posisjon og orientering på basis av målte retninger til minst tre lyskilder i kjente globale koordinater , or that said data processor is arranged for calculating the position and orientation of the protractors on the basis of measured directions of at least three light sources in known global coordinates,

eller at nevnte dataprosessor er innrettet for beregning av vinkelmålerenes posisjon og orientering på basis av målte retninger til et antall fastpunkter, hvorav den innbyrdes avstand mellom to punkter er kjent, og posisjonen av et tredje punkt definerer orienteringen av det globale koordinatsystem. or that said data processor is arranged for calculating the protractors' position and orientation on the basis of measured directions to a number of fixed points, of which the mutual distance between two points is known, and the position of a third point defines the orientation of the global coordinate system.

Øvrige kjennetegnende trekk vil fremgå av de etterfølgende patentkrav og den etterfølgende beskrivelse av for oppfinnelsen ikke-begrensende eksempler, med henvisning til de vedlagte tegninger. Other distinguishing features will be apparent from the subsequent patent claims and the subsequent description of non-limiting examples for the invention, with reference to the attached drawings.

Figur 1 a-b illustrerer den prinsipielle oppbyggingen av en Figure 1 a-b illustrates the principle structure of a

vinkelmåler, og protractor, and

Figur 1 c illustrerer vinkelmåleren sett fra undersiden. Figur 2 a-c illustrerer skjematisk prinsippet for vinkelmåling. Figur 3 illustrerer en generell systemløsning i form av Figure 1 c illustrates the protractor seen from the underside. Figure 2 a-c schematically illustrates the principle of angle measurement. Figure 3 illustrates a general system solution in the form of

blokkskjema. block diagram.

Figur 4 a-d illustrerer ulike applikasjoner av vinkelmålerene. Figur 5 a-b illustrerer en fremgangsmåte for inntrimming av vinkelmålerens rotasjonssenter. Figur 5 c illustrerer montasje av vinkelmåleren på dreiebord ved kalibrering for henholdsvis horisontal og vertikal vinkelmåling. Figur 6 a-c illustrerer en fremgangsmåte for kalibrering av en vinkelmåler ved bruk av en belyst tråd eller spalte. Figur 7 a-c illustrerer to forskjellige mekaniske tilte- og Figure 4 a-d illustrates various applications of the protractors. Figure 5 a-b illustrates a procedure for adjusting the protractor's center of rotation. Figure 5 c illustrates assembly of the protractor on a turntable during calibration for horizontal and vertical angle measurement respectively. Figure 6 a-c illustrates a procedure for calibrating a protractor using an illuminated wire or slit. Figure 7 a-c illustrates two different mechanical tilt and

dreieanordninger for vinkelmåleren. turning devices for the protractor.

Figur 8 a-e illustrerer en fremgangsmåte for kalibrering av en vinkelmåler ved bruk av et array av aktive lyskilder eller reflekspunkter. Figure 8 a-e illustrates a procedure for calibrating an angle meter using an array of active light sources or reflective points.

Den foreliggende oppfinnelse for posisjons- og geometrimåling er basert på en helautomatisk og nøyaktig kalibrert vinkelmåler som angitt i figur 1. Denne består i hovedsak av et kamerahus 1, en linse-enhet 2, og en to-dimensjonal oppstilling (matrise) 3 av fotofølsomme elementer 11. Linse-enheten er et objektiv med standard, sfærisk optikk, med brennvidde hovedsakelig gitt av kravet til synsfelt. Linsens eventuelle anti-refleks belegg eller optiske filter må være tilpasset spektralfordelingen i de benyttede lyskilder. De fotofølsomme elementene er for eksempel av CCD (Charge Coupled Device) eller CID (Charge Injected Device) type. Kravene til høy nøyaktighet gjør at matriser med maksimal oppløsning vanligvis vil bli benyttet. Dersom systemets hurtighet er det primære, vil matriser med færre elementer benyttes. The present invention for position and geometry measurement is based on a fully automatic and precisely calibrated protractor as indicated in Figure 1. This essentially consists of a camera housing 1, a lens unit 2, and a two-dimensional arrangement (matrix) 3 of photosensitive elements 11. The lens unit is an objective with standard, spherical optics, with a focal length mainly given by the field of view requirement. Any anti-reflective coating or optical filter on the lens must be adapted to the spectral distribution of the light sources used. The photosensitive elements are, for example, of the CCD (Charge Coupled Device) or CID (Charge Injected Device) type. The requirements for high accuracy mean that matrices with maximum resolution will usually be used. If the speed of the system is the primary thing, matrices with fewer elements will be used.

Kamera av denne type er kommersielt tilgjengelig. Det som gjør dette kameraet til en vinkelmåler er at linsesystemet 2 har et veldefinert og kjent symmetrisenter 7, definert ved at punkter som befinner seg i samme retning relativt til dette punktet, avbildes i samme punkt på matrisen av fotofølsomme elementer. Dette symmetripunkt vil alltid ligge på linsesystemets optiske akse. En romlig retning angis i form av vinkler relativt til to ortogonale akser. I dette tilfelle vil ethvert par av akser med origo i det nevnte symmetripunkt og normalt til den optiske akse kunne benyttes. I henhold til alminnelig praksis benyttes en horisontal- og en vertikal akse. En mekanisk festeanordning 4 kan ved hjelp av slisser 8 og festebolter 9 justeres slik at denne definerer vinkelmålerens vertikale symmetri-/rotasjonsakse 6. P.g.a. den sfæri-ske optikken vil den tilsvarende horisontale rotasjonsakse være entydig definert ved at den står normalt på både den vertikale akse og linsens optiske akse. Vinkelmåleren er kalibrert for måling av vinkler i to dimensjoner relativt til disse to rotasjonsakser. Cameras of this type are commercially available. What makes this camera an angle meter is that the lens system 2 has a well-defined and known center of symmetry 7, defined by the fact that points that are in the same direction relative to this point are imaged at the same point on the matrix of photosensitive elements. This point of symmetry will always lie on the optical axis of the lens system. A spatial direction is indicated in the form of angles relative to two orthogonal axes. In this case, any pair of axes with origin in the mentioned point of symmetry and normal to the optical axis can be used. In accordance with general practice, a horizontal and a vertical axis are used. A mechanical fastening device 4 can be adjusted by means of slots 8 and fastening bolts 9 so that it defines the protractor's vertical axis of symmetry/rotation 6. Because the spherical optics, the corresponding horizontal axis of rotation will be unambiguously defined in that it stands normally on both the vertical axis and the optical axis of the lens. The protractor is calibrated for measuring angles in two dimensions relative to these two axes of rotation.

Figur 2a viser prinsipp for måling av romlig retning. Vinkelmålerens helautomatiske funksjon er basert på bruk av aktive lyskilder, for eksempel lysdioder, eller punkter 10 belyst av aktive lyskilder, eksempelvis laser eller laserdiode, rettet mot en flate. Det lysende punkt 10 avbildes gjennom linsesystemet 2 som en belyst flekk 12 på matrisen av fotofølsomme elementer 3. Avbildningen gir en belysning av et antall elementer 11 med en intensitetsfordeling gitt av lyspunktets utbredelse, <p>g av linsesystemets oppløsning. Lysflekkens posisjon på matrisen gir et entydig mål for den romlige retning til det avbildede lyspunkt. Den romlige retning angis i form av to vinkler a og 5 . <5> fremkommer som vinkelen mellom den romlige retning og vinkelmålerens horisontale symmetriplan, a fremkommer som vinkelen mellom den optiske akse, og retningen til projeksjonen av lyspunktet ned i det horisontale symmetriplanet. Begge vinkelverdiene a og <5> er 0 på den optiske akse. Figure 2a shows the principle for measuring spatial direction. The protractor's fully automatic function is based on the use of active light sources, for example LEDs, or points 10 illuminated by active light sources, for example laser or laser diode, aimed at a surface. The luminous point 10 is imaged through the lens system 2 as an illuminated spot 12 on the matrix of photosensitive elements 3. The image provides an illumination of a number of elements 11 with an intensity distribution given by the distribution of the light point, <p>g of the resolution of the lens system. The position of the light spot on the matrix provides an unambiguous measure of the spatial direction of the imaged light spot. The spatial direction is indicated in the form of two angles a and 5. <5> appears as the angle between the spatial direction and the protractor's horizontal plane of symmetry, a appears as the angle between the optical axis and the direction of the projection of the light point down the horizontal plane of symmetry. Both angle values a and <5> are 0 on the optical axis.

Oppløsningen i matrisen av fotofølsomme elementer gir for de fleste formål ikke en tilstrekkelig måleoppløsning. Lysflekkens posisjon på matrisen beregnes derfor mer nøyaktig ved tyngdepunktsberegning som vist i figurene 2b og 2c. Linsesystemet 2 har en åpningsvinkel som begrenser vinkelmålerens måleområde. Typisk vil synsfeltet være 30 grader både horisontalt og vertikalt. Det stilles ikke strenge krav til linsens distorsjonsegenskaper, idet dette blir korrigert ved kalibreringsmetoden. Vinkelmåleren har ved dette så stort synsfelt, at mekanisk innretting av vinkelmåleren mot målepunktet ikke er nødvendig slik som ved konvensjonelle eller automatiske teodolitter. Vinkelmåleren vil være kalibrert for bruk ved en fast fokusavstand. Linsesystemets dybdeskarphet begrenser vinkelmålerens arbeidsområde i lengderetning. The resolution in the matrix of photosensitive elements does not provide a sufficient measurement resolution for most purposes. The position of the light spot on the matrix is therefore calculated more accurately by calculating the center of gravity as shown in figures 2b and 2c. The lens system 2 has an opening angle which limits the protractor's measuring range. Typically, the field of view will be 30 degrees both horizontally and vertically. There are no strict requirements for the lens's distortion properties, as this is corrected by the calibration method. The protractor has such a large field of view that mechanical alignment of the protractor to the measuring point is not necessary as with conventional or automatic theodolites. The protractor will be calibrated for use at a fixed focus distance. The lens system's depth of field limits the protractor's working area in the longitudinal direction.

Vinkelmålerene er designet for måling av retning til lyskilder eller punkter belyst av lyskilder med lys av en veldefinert bølgelengde, vanligvis i det synlige eller nær-infrarøde spektralområde. Denne teknikken gjør det mulig automatisk å skille ut det aktuelle punkt i forhold til bakgrunnen. Signal/støyforholdet forbedres ved bruk av et optisk filter montert på linsesystemet, og som er tilpasset det aktuelle spektralområdet. The goniometers are designed for measuring the direction of light sources or points illuminated by light sources with light of a well-defined wavelength, usually in the visible or near-infrared spectral range. This technique makes it possible to automatically distinguish the relevant point in relation to the background. The signal/noise ratio is improved by using an optical filter mounted on the lens system, which is adapted to the relevant spectral range.

De nevnte vinkelmålerene kan kombineres til en rekke forskjellige systemløsninger, avhengig av anvendelsen. Et generelt blokkskjema er vist i figur 3. Dette skjemaet viser et system med to vinkelmålere 13, 14, tilstrekkelig til for eksempel måling av romlig posisjon for et antall lyspunkter. Avbildningsdataene overføres fra vinkelmålerene til til-hørende kameraprosessorer 15, 16 i form av analoge eller digitale intensitetsverdier for hvert enkelt av de fotoføl-somme elementer. The mentioned protractors can be combined into a number of different system solutions, depending on the application. A general block diagram is shown in figure 3. This diagram shows a system with two protractors 13, 14, sufficient for, for example, measuring the spatial position of a number of light points. The image data is transferred from the angle meters to associated camera processors 15, 16 in the form of analogue or digital intensity values for each of the photosensitive elements.

I kameraprosessoren utføres følgende funksjoner: The camera processor performs the following functions:

kontroll av avbildnlngstidspunkt og eksponeringstid, control of imaging time and exposure time,

digitalisering av avbildningsdataene dersom dette ikke er gjort i vinkelmålerens elektronikk, digitization of the imaging data if this has not been done in the protractor's electronics,

lagring av digitale avbildningsdatåi i en to-dimensjonal storage of digital imaging data in a two-dimensional

hukomme1sesoppsti11ing, memory retrieval,

subtraksjon av bakgrunnsbelysning, i form av et lagret sett av avbildningsdata, registrert' uten at de aktuelle lyskilder var tent, - gjennomsøking av hukommelsesoppstillihgen for å registrere omtrentlig posisjon av et antall intensitetsmaksima, subtraction of background illumination, in the form of a stored set of imaging data, recorded without the relevant light sources being lit, - scanning the memory array to record the approximate position of a number of intensity maxima,

nøyaktig beregning av intensitetsmaksimaenes posisjon på accurate calculation of the position of the intensity maxima on

matrisen for hvert enkelt lyspunkt, the matrix for each individual light point,

oppslag i den to-dimensjonale kalibreringstabell lagret i hukommelsesoppstilling, for omregning fra koordinater på matrisen til vinkler gitt relativt til de horisontale og vertikale rotasjonsakser. lookup in the two-dimensional calibration table stored in the memory array, for conversion from coordinates on the matrix to angles given relative to the horizontal and vertical axes of rotation.

Systemet kan håndtere et antall simultant lysende punkter, så lenge deres innbyrdes posisjoner er entydige. The system can handle a number of simultaneously illuminated points, as long as their mutual positions are unambiguous.

Vinkelverdiene overføres til en sentral dataprosessor 17 for videre beregninger. Dataprosessorens funksjon avhenger av applikasjon og systemkonfigurasjon. Typiske applikasjoner er forklart i det følgende. The angle values are transferred to a central data processor 17 for further calculations. The function of the data processor depends on the application and system configuration. Typical applications are explained in the following.

Kameraprosessorer og dataprosessorer er bygget opp med basis i kommersielt tilgjengelig elektronikk og programvare for billedprosessering. Camera processors and data processors are based on commercially available electronics and software for image processing.

Til dataprosessoren er koblet en terminal 18 bestående av monitor og tastatur for operatørens kommunikasjon med systemet. Denne enheten brukes eksempelvis til fortløpende og endelig presentasjon av måleresultater. A terminal 18 consisting of a monitor and keyboard is connected to the data processor for the operator's communication with the system. This unit is used, for example, for continuous and final presentation of measurement results.

Ved måling på lyspunkter dannet på en overflate ved belysning med en laser eller laser diode, vil det til dataprosessoren være koblet en driver enhet 19 for laser 20 og for et to-akset speil 21 som benyttes for å styre lysflekken 22 over den aktuelle overflate 23 i to dimensjoner. When measuring light points formed on a surface by illumination with a laser or laser diode, a driver unit 19 for laser 20 and for a two-axis mirror 21 will be connected to the data processor, which is used to control the light spot 22 over the relevant surface 23 in two dimensions.

Ved bruk av enkeltstående aktive lyskilder 25 - 27, som for eksempler lysdioder, er det til dataprosessoren koblet en drlvelektronikk-enhet 24. Denne forsyner de enkelte lyskilder med strøm, og tenner og slukker de enkelte lyskilder etter signal fra dataprosessor. When using individual active light sources 25 - 27, such as LEDs for example, an electronics unit 24 is connected to the data processor. This supplies the individual light sources with power, and turns the individual light sources on and off according to a signal from the data processor.

Figur 4a illustrerer den grunnleggende bruk av systemet for måling av en lyskilde eller et belyst punkts koordinater i tre dimensjoner. Minimum to vinkelmålere, 13, 14 måler de horisontale og vertikale vinkler for et lyspunkt 25 relativt til et referansepunkt 28. Dataprosessoren vil i dette tilfelle være innrettet med programvare for konvensjonell triangulering. Denne programvaren forutsetter at koordinatene til referanselyspunktet og de enkelte vinkelmålere er kjent i det aktuelle globale koordinatsystem. Figure 4a illustrates the basic use of the system for measuring the coordinates of a light source or an illuminated point in three dimensions. A minimum of two protractors, 13, 14, measure the horizontal and vertical angles for a point of light 25 relative to a reference point 28. The data processor will in this case be equipped with software for conventional triangulation. This software assumes that the coordinates of the reference light point and the individual protractors are known in the relevant global coordinate system.

Vinkelmålerenes posisjoner og orientering i et globalt koordinatsystem kan finnes på forskjellige måter. Den mest primitive metoden er innmåling av deres posisjoner med konvensjonell landmålingsteknikk, og bruk av en referanselyskilde i kjent posisjon for å måle vinkelmålerenes orientering i et globalt koordinatsystem. Dette forutsetter at vinkelmålerene er nivellerte. Mer sofistikerte metoder består i å måle relative vinkler for tre lyskilder i kjente globale koordinater for derved å kunne beregne de enkelte vinkelmålerenes posisjon og orientering i dette koordinatsystem, eller ved såkalt strålebuntutjevning å gjøre målinger på en rekke fastpunkter hvorav minst to er i innbyrdes kjent avstand og posisjonen av et tredje punkt relativt til disse definerer orienteringen av koordinatsystemet, for deretter å beregne vinkelmålerenes relative posisjon og orientering. Dataprosessoren vil inneholde programvare for de angitte metoder. Disse gjennomføres som en initlaliseringsprosedyre for hver gang målerene flyttes til nye posisjoner. The positions and orientation of the protractors in a global coordinate system can be found in different ways. The most primitive method is measuring their positions with conventional surveying techniques, and using a reference light source in a known position to measure the protractors' orientation in a global coordinate system. This assumes that the protractors are level. More sophisticated methods consist of measuring relative angles for three light sources in known global coordinates in order to thereby be able to calculate the position and orientation of the individual protractors in this coordinate system, or by so-called beam bundle equalization to make measurements at a number of fixed points of which at least two are at a mutually known distance and the position of a third point relative to these defines the orientation of the coordinate system, to then calculate the protractors' relative position and orientation. The computer processor will contain software for the specified methods. These are carried out as an initialization procedure for each time the meters are moved to new positions.

Bruk av flere enn to vinkelmålere gir målingene redundans, og derved bedre nøyaktighet. Bruk av to målere gir redundans i lyspunktets z-koordinat. Using more than two protractors gives the measurements redundancy, and thereby better accuracy. Using two meters provides redundancy in the light point's z-coordinate.

For måling av et objekts 29 posisjon og orientering i seks frihetsgrader (se fig. 4b), kreves at minst tre lyskilder 25 - 27 monteres på objektet i kjente posisjoner i et lokalt, objektfast koordinatsystem. Bruk av minimum to vinkelmålere 13, 14 og en referanselyskilde 28 som beskrevet ovenfor, gir globale koordinater for de tre lyskildene. Relasjonen mellom de lokale og globale koordinater gir posisjon og orientering av det objektfaste lokale koordinatsystem i det globale koordinatsystemet. For measuring an object's 29 position and orientation in six degrees of freedom (see fig. 4b), it is required that at least three light sources 25 - 27 be mounted on the object in known positions in a local, object-fixed coordinate system. Use of a minimum of two protractors 13, 14 and a reference light source 28 as described above provides global coordinates for the three light sources. The relationship between the local and global coordinates gives the position and orientation of the object-fixed local coordinate system in the global coordinate system.

Bedret nøyaktighet oppnås ved bruk av flere vinkelmålere, og/eller dersom flere lyskilder montert på objektet. Improved accuracy is achieved by using several protractors, and/or if several light sources are mounted on the object.

Figur 4c illustrerer vinkelmålerene satt sammen i et system for profilmåling. Minimum to vinkelmålere 13, 14 benyttes for å måle koordinater i tre dimensjoner for en lysflekk 22 ge-nerert av et avsøkingssystem bestående av laser 20 og et to-akset speil 21 for styring av laserstrålen mot objektet 23. Laseren vil være fokusert for å oppnå så liten lysflekk som mulig på overflaten. I stedet for bruk av et to-akset speil som angitt, kan tilsvarende virkning oppnås ved å anbringe laseren i en anordning som tillater dreining av laseren om tilsvarende to akser. Figure 4c illustrates the protractors assembled in a system for profile measurement. A minimum of two protractors 13, 14 are used to measure coordinates in three dimensions for a light spot 22 generated by a scanning system consisting of laser 20 and a two-axis mirror 21 for steering the laser beam towards the object 23. The laser will be focused to achieve as small a spot of light as possible on the surface. Instead of using a two-axis mirror as indicated, a similar effect can be achieved by placing the laser in a device that allows rotation of the laser about corresponding two axes.

Avsøkingssystemer bestående av laser, to-akset speil, modul for dynamisk fokusering;, og all tilhørende drivelektronikk, er kommersielt tilgjengelig. Scanning systems consisting of laser, two-axis mirror, dynamic focusing module, and all associated drive electronics are commercially available.

Dataprosessoren vil som nevnt være koblet til avsøkingssy-stemets drivenhet for styring av dette. Det to-aksede speilet styres stegvis med steglengde gitt av behov for målenøyaktig-het. Dataprosessoren vil inneholde programvare for intel-ligent avsøking av en flate, for eksempel ved å registrere om strålen rettes utenfor objektet eller ved å registrere endringene i målte vinkler for hvert steg for derved å tilpasse steglengden til flatens krumming. As mentioned, the data processor will be connected to the scanning system's drive unit for controlling this. The two-axis mirror is controlled in steps with a step length given by the need for measurement accuracy. The computer processor will contain software for intelligent scanning of a surface, for example by recording whether the beam is directed outside the object or by recording the changes in measured angles for each step in order to adapt the step length to the curvature of the surface.

Dataprosessoren vil inneholde programvare for oppbygging av en matematisk modell som beskriver objektets overflate på basis av det innsamlete sett av koordinater. Dataprosessoren vil videre kunne tilpasses mot brukerens DAK (DataAssistert Konstruksjon) anlegg, for eksempel for sammenligning med nominelle verdier fra arbeidstegning. The data processor will contain software for building a mathematical model that describes the object's surface on the basis of the collected set of coordinates. The computer processor will also be able to be adapted to the user's CAD (Data Assisted Construction) facility, for example for comparison with nominal values from working drawings.

Ved den beskrevne fremgangsmåte vil koordinatene på overflaten angis I form av globale koordinater. Som eksempel nevnes at dersom det på den aktuelle overflate finnes minst tre punkter med veldefinerte koordinater I et lokalt koordinatsystem, vil innmållng av disse punktenes globale koordinater gi beregningsgrunnlag for å transformere alle målte koordinatverdier til det lokale koordinatsystem. In the described method, the coordinates on the surface will be specified in the form of global coordinates. As an example, if there are at least three points with well-defined coordinates in a local coordinate system on the surface in question, measuring the global coordinates of these points will provide a calculation basis for transforming all measured coordinate values into the local coordinate system.

Å beskrive en overflates profil som angitt ovenfor, vil være tidkrevende selv med de aktuelle automatiske vinkelmålere. I mange industrielle anvendelser har man bare behov for å måle avvik mellom ferdig produsert enhet og konstruksjonsdataene i et mindre antall veldefinerte punkter på objektet. Den foreliggende oppfinnelse vil i disse tilfeller kunne benyttes som vist i figur 4d med et antall fast monterte lasere eller laserdioder 30 - 32 som er fast rettet inn mot de aktuelle punkter 33 - 35. Systemet kan håndtere alle de genererte lyspunkter samtidig, og vil derfor gi en meget rask presentasjon av avvikene. Describing a surface's profile as indicated above will be time-consuming even with the relevant automatic protractors. In many industrial applications, there is only a need to measure deviations between the finished unit and the construction data in a smaller number of well-defined points on the object. In these cases, the present invention will be able to be used as shown in figure 4d with a number of permanently mounted lasers or laser diodes 30 - 32 which are firmly directed towards the relevant points 33 - 35. The system can handle all the generated light points simultaneously, and will therefore give a very quick presentation of the deviations.

Som ovenfor nevnt er oppfinnelsen basert på at linsesystemet har et symmetrisenter som gir en entydig definisjon av retningen til lyspunkter. Bruken av vinkelmålerene er basert på at de målte vinkler er gitt med høy presisjon. Det er derfor nødvendig med nøyaktige prosedyrer fon*bestemmelse av vinkelmålerenes rotasjonssenter og for kalibrering. Nøyaktigheten i kalibreringen avhenger av at et stort», antall målepunkter tas opp. Det er derfor lagt vekt på utvikling av helautomatiske kalibreringsteknikker. As mentioned above, the invention is based on the lens system having a center of symmetry which gives a clear definition of the direction of light points. The use of protractors is based on the fact that the measured angles are given with high precision. Precise procedures are therefore necessary for determining the protractors' center of rotation and for calibration. The accuracy of the calibration depends on a large number of measuring points being recorded. Emphasis has therefore been placed on the development of fully automatic calibration techniques.

Avbildning av lyspunkter gjennom lihsesystemene avhenger av lysets bølgelengde. Vinkelmålerene kalibreres derfor for bruk ved veldefinerte bølgelengder, og/ selve kalibreringen gjennomføres ved måling på aktive lyskilder eller punkter belyst av aktive lyskilder. Et eventuelt optisk filter må være montert før kalibreringen, da dette utgjør en del av det totale linsesystem. Imaging of light points through the lens systems depends on the light's wavelength. The angle meters are therefore calibrated for use at well-defined wavelengths, and/ the calibration itself is carried out by measuring on active light sources or points illuminated by active light sources. Any optical filter must be fitted before calibration, as this forms part of the overall lens system.

Som innledningsvis nevnt er linsesystemets rotasjonssymmetriske punkt definert ved at alle lyspunkter som befinner seg i samme retning sett ut fra dette punkt, avbildes i det samme punktet i linsens fokalplan. I dette tilfelle vil dette si at deres avbildning som registrert av matrisen av fotofølsomme elementer har sammenfallende intensitetsmaksimum. Denne defi-nisjonen benyttes direkte for inntrimming av vinkelmålerens festeanordning 4 som illustrert i figur 5a og 5b. As mentioned at the outset, the rotationally symmetrical point of the lens system is defined by the fact that all points of light located in the same direction from this point are imaged at the same point in the focal plane of the lens. In this case, this would mean that their image as recorded by the array of photosensitive elements has a coincident intensity maximum. This definition is used directly for trimming the protractor's fastening device 4 as illustrated in figures 5a and 5b.

Vinkelmåleren monteres på et dreiebord 36. Minst to lyskilder 25, 26 monteres på en linje i målerens horisontale symmetriplan, slik at disse sett ovenfra ligger på en rett linje som går eksakt gjennom dreiebordets rotasjonsakse. De to lyskildenes høyde tillates å være så mye forskjellig at de gir opphav til to vertikalt atskilte lysflekker på matrisen av de fotofølsomme elementene. Høydeforskjeller ut over dette kan gi feilbidrag fra linsesystemets distorsjon. Avstanden til de to lyskildene vil være begrenset av linsesystemets dybdeskarphet. The protractor is mounted on a turntable 36. At least two light sources 25, 26 are mounted on a line in the gauge's horizontal plane of symmetry, so that these, seen from above, lie on a straight line that passes exactly through the turntable's axis of rotation. The height of the two light sources is allowed to differ so much that they give rise to two vertically separated light spots on the array of the photosensitive elements. Differences in height beyond this can cause error contributions from the distortion of the lens system. The distance to the two light sources will be limited by the depth of field of the lens system.

Den justerbare festeanordningen 4 justeres parallelt med linsesystemets optiske akse til intensltetsmaksimaet i horisontal retning for de to lyskildene faller sammen uansett vinkelmålerens dreievinkel <5> relativt til de to lyskildene. Riktig inntrimming oppnås enklest når vinkelmåleren er dreiet til ytterkanten av dens synsfelt, idet følsomheten da er størst. Når den rette Inntrimming er oppnådd, låses festeanordningen 1 denne posisjonen ved hjelp av boltene 9. The adjustable fastening device 4 is adjusted parallel to the optical axis of the lens system until the maximum intensity in the horizontal direction for the two light sources coincides regardless of the angle of rotation <5> of the protractor relative to the two light sources. Correct adjustment is most easily achieved when the protractor is turned to the outer edge of its field of view, as the sensitivity is greatest then. When the correct adjustment has been achieved, the fastening device 1 is locked in this position by means of the bolts 9.

Den beskrevne fremgangsmåte gir en entydig definisjon av symmetrlsenteret ved skjæringen mellom den nå funnede rotasjonsaksen (vinkelmålerens z-akse), og den optiske akse (x-akse). Innfestingen definerer rotasjonsaksen for kalibrering av vinkelmåleren, for måling av horisontal vinkler. The described method provides an unambiguous definition of the center of symmetry at the intersection between the now found rotation axis (the protractor's z-axis) and the optical axis (x-axis). The attachment defines the axis of rotation for calibrating the protractor, for measuring horizontal angles.

Den tredje symmetriaksen (y-aksen) er som tidligere nevnt definert ved at den er normal til den optiske akse, og til den nå funnede vertikale rotasjonsakse. Vinkelmåleren vil normalt ikke ha noe festepunkt som definerer denne symmetriaksen. En hjelpebrakett 37 som illustrert i figur 5c benyttes under kalibreringsprosessen for å definere denne symmetriaksen. As previously mentioned, the third axis of symmetry (y-axis) is defined in that it is normal to the optical axis, and to the now found vertical axis of rotation. The protractor will normally have no attachment point that defines this axis of symmetry. An auxiliary bracket 37 as illustrated in Figure 5c is used during the calibration process to define this axis of symmetry.

To alternative kalibreringsteknikker er utviklet. Vinkelmålerene må kalibreres under forhold som er mest mulig identiske med en brukssituasjon. Dette innebærer bruk av punktformede lyskilder med samme spektralfordeling. En teknikk er utviklet for bruk av punktformede lyskilder, som beskrevet nedenfor. En enklere kalibrering oppnås ved å erstatte de punktformede lyskildene med en linjeformet lyskilde, for eksempel en belyst tråd eller spalte. Two alternative calibration techniques have been developed. The protractors must be calibrated under conditions that are as identical as possible to a use situation. This involves the use of point-shaped light sources with the same spectral distribution. A technique has been developed for the use of point-shaped light sources, as described below. A simpler calibration is achieved by replacing the point-shaped light sources with a line-shaped light source, for example an illuminated wire or slit.

Kalibrering ved bruk av en linjeformet lyskilde er illustrert i figur 6a. Vinkelmåleren monteres på et dreiebord 36. Dreiebordet inneholder en høy-presisjons vinkelreferanse, og drives av en servomotor som muliggjør automatisert bruk. Måleren nivelleres, og den foran beskrevne inntrimming av målerens festeanordning sikrer at målerens og dreiebordets rotasjonsakser faller sammen. En lineær innretning monteres vertikalt. I det etterfølgende er denne innretningen beskrevet som en tråd 41, men eksempelvis vil en spalte fungere tilsvarende, med unntak av belysningsteknikken. En tråd belyses slik at den diffuse refleksjon registreres av vinkelmåleren, mens ved bruk av en spalte vil det være bildet av spalten foran en opplyst bakgrunn som registreres. Calibration using a line-shaped light source is illustrated in Figure 6a. The protractor is mounted on a rotary table 36. The rotary table contains a high-precision angle reference, and is driven by a servo motor which enables automated use. The meter is leveled, and the previously described adjustment of the meter's fastening device ensures that the rotation axes of the meter and the turntable coincide. A linear device is mounted vertically. In what follows, this device is described as a wire 41, but for example a slit will function similarly, with the exception of the lighting technique. A wire is illuminated so that the diffuse reflection is recorded by the angle meter, while when using a slit, it will be the image of the slit in front of an illuminated background that is recorded.

En tråd innrettes enklest ved hjelp av et lodd 42. Trådens lengde tilsvarer linsesystemets vertikale synsfelt. Tråden belyses av en lyskilde 43. Dette kan være en belysning som dekker hele eller deler av tråden, eventuelt kan tråden brukes til å frembringe lyspunkt at lyskilden påmonteres en sylindrisk linse som fokuserer lyset til en strek som treffer tråden normalt på trådens lengderetning. Avbildningen av tråden gir en intensitetsfordeling i form av linje på matrisen av fotofølsomme elementer, se fig. 6b. Linjens krumning avhenger av linsesystemets forvrengning, som vist i figur 6c. A thread is most easily aligned with the help of a plumb line 42. The length of the thread corresponds to the vertical field of view of the lens system. The wire is illuminated by a light source 43. This can be a lighting that covers all or parts of the wire, or the wire can be used to produce a light point that the light source is mounted on a cylindrical lens that focuses the light to a line that hits the wire normally in the wire's longitudinal direction. The image of the wire gives an intensity distribution in the form of a line on the matrix of photosensitive elements, see fig. 6b. The curvature of the line depends on the distortion of the lens system, as shown in Figure 6c.

Sammenhengen mellom dreievinkel og bildets posisjon på matrisen registreres ved skrittvis rotasjon av vinkelmåleren. Alternativt vil det samme resultat kunne oppnås dersom dreiebordets funksjon erstattes av en lineær, horisontal forflyt-ning av trådens opphengssystem i en kjent retning på tvers av målerens optiske akse. The relationship between the angle of rotation and the image's position on the matrix is recorded by stepwise rotation of the protractor. Alternatively, the same result could be achieved if the turntable's function is replaced by a linear, horizontal movement of the wire's suspension system in a known direction across the optical axis of the meter.

Kalibreringsprosedyren gjentas etter dreining av vinkelmåleren 90 grader om sin optiske akse ved bruk av braketten 37. De to sett av data sammenholdes for beregning av en todimensjonal kalibreringstabell, som lagres i en hukommelsesoppstilling i den tilhørende kameraprosessor. The calibration procedure is repeated after turning the protractor 90 degrees about its optical axis using the bracket 37. The two sets of data are combined to calculate a two-dimensional calibration table, which is stored in a memory array in the associated camera processor.

Alternativt kan vinkelmåleren kalibreres ved bruk av en oppstilling av lyskilder, montert på en vertikal linje. For å oppnå høy nøyaktighet kreves et stort antall lyskilder fordelt over vinkelmålerens synsfelt. For å kunne øke nøyaktigheten er det i henhold til denne oppfinnelse utviklet en metode basert på at vinkelmåleren tiltes skrittvis, og at den i hver tiltet posisjon kalibreres for en del av matrisen av fotofølsomme elementer. Lyskildene plasseres nå tett sammen, og slik at de vil dekke bare en del av vinkelmålerens vertikale synsfelt. Alternatively, the protractor can be calibrated using an array of light sources, mounted on a vertical line. To achieve high accuracy, a large number of light sources distributed over the angle meter's field of view are required. In order to be able to increase the accuracy, according to this invention, a method has been developed based on the protractor being tilted in steps, and that in each tilted position it is calibrated for part of the matrix of photosensitive elements. The light sources are now placed close together, and so that they will cover only part of the protractor's vertical field of view.

En spesiell mekanisk tilteanordning 45 eller 47, skissert henholdsvis i figur 7a-b, og figur 7c, er utviklet for tilting av vinkelmåleren om en horisontal akse normalt til dens optiske akse. De alternative utforminger 45 og 47 benyttes avhengig av hvilken av målerens to akser som skal kalibreres. For kalibrering av den vertikale rotasjonsakse benyttes anordningen bestående av brakettene 44 og 45 for innfesting til henholdsvis vinkelmåler og dreiebord, sammenkoblet ved en dreibar kobling 46. For kalibrering av den horisontale rotasjonsakse festes braketten 47 til vinkelmåleren via en dreibar kobling 48. A special mechanical tilting device 45 or 47, outlined respectively in Figure 7a-b, and Figure 7c, has been developed for tilting the protractor about a horizontal axis normal to its optical axis. The alternative designs 45 and 47 are used depending on which of the meter's two axes is to be calibrated. For calibration of the vertical axis of rotation, the device consisting of brackets 44 and 45 is used for attachment to the protractor and turntable respectively, connected by a rotatable coupling 46. For calibration of the horizontal axis of rotation, the bracket 47 is attached to the protractor via a rotatable coupling 48.

Vinkelmåleren, påmontert tilteanordningen, monteres på drele-bordet 36 og nivelleres. Oppstillingen er skissert i figur 8a. I nivellert stilling dreies måleren (se fig. 8b) om den vertikale dreieaksen (z-aksen), og kalibreringskurver (se flg. 8c) registreres ved simultan måling av dreiebordets vinkel og de enkelte lyskilders avbildning på matrisen av fotofølsomme elementer. I denne posisjonen vil den sentrale del av vinkelmålerens synsfelt bil kalibrert. Øvrige deler av synsfeltet kalibreres ved å tilte vinkelmåleren som illustrert i fig 8d. Vinkelmålerens tiltevinkel måles, og prosessen med rotasjon av dreiebordet og innsamling av data for beregning av kalibreringskurver (se fig. 8e) gjentas, inntil hele synsfeltet er dekket. The protractor, mounted on the tilting device, is mounted on the drele table 36 and levelled. The arrangement is outlined in Figure 8a. In a leveled position, the meter (see fig. 8b) is rotated about the vertical axis of rotation (z-axis), and calibration curves (see fig. 8c) are recorded by simultaneous measurement of the angle of the turntable and the image of the individual light sources on the matrix of photosensitive elements. In this position, the central part of the protractor's field of view will be calibrated. Other parts of the field of view are calibrated by tilting the protractor as illustrated in fig 8d. The protractor's tilt angle is measured, and the process of rotation of the turntable and collection of data for calculation of calibration curves (see Fig. 8e) is repeated, until the entire field of view is covered.

Tlltevlnkelen kan måles ved bruk av et inkllnometer. Alternativt kan man benytte seg av vinkelmåleren selv, ved at denne på forhånd er kalibrert for vinkelmåling i sine to symmetriplan (svarende til at en av vinklene a og <5> i figur 2a er 0). En slik kalibrering gjennomføres ved bruk av én lyskilde montert i samme høyde som vinkelmålerens symmetriplan. Ved måling av tiltevinkelen under kalibreringsprosedyren må også en lyskilde være montert i denne høyden. The tilt angle can be measured using an inclnometer. Alternatively, you can use the protractor itself, in that it is calibrated in advance for angle measurement in its two planes of symmetry (corresponding to one of the angles a and <5> in Figure 2a being 0). Such a calibration is carried out using one light source mounted at the same height as the protractor's plane of symmetry. When measuring the tilt angle during the calibration procedure, a light source must also be mounted at this height.

Kalibreringsprosessen gjentas etter dreining av vinkelmåleren 90 grader om sin optiske akse, og montasje til dreiebordet med en festebrakett tilsvarende 37. Merk at tutingen også i denne posisjonen skal skje om en horisontal akse. The calibration process is repeated after turning the protractor 90 degrees around its optical axis, and mounting it to the rotary table with a mounting bracket corresponding to 37. Note that in this position too, the spouting must take place about a horizontal axis.

På basis av de innsamlede data beregnes en todimensjonal kalibreringstabell, som lagres i en hukommelsesoppstilling i den tilhørende kameraprosessor. On the basis of the collected data, a two-dimensional calibration table is calculated, which is stored in a memory array in the associated camera processor.

Som ved bruk av en linjeformet lyskilde som beskrevet ovenfor, vil dreiebordet kunne erstattes av at lyskildene monteres på en anordning som kan forflyttes horisontalt i kontrollerte lineære steg i en veldefinert retning på tvers av den optiske aksen. As with the use of a line-shaped light source as described above, the turntable can be replaced by the light sources being mounted on a device that can be moved horizontally in controlled linear steps in a well-defined direction across the optical axis.

Alle kalibreringskurver kan verifiseres ved måling av vinkler til lyskilder i kjente posisjoner, ved bruk av dreiebordet. All calibration curves can be verified by measuring angles to light sources in known positions, using the turntable.

I det foregående er beskrevet alternative systemkonfigurasjo-ner basert på vinkelmålere ifølge den foreliggende oppfinnelse. Disse dekker en rekke forskjellige målebehov innenfor industri og forskning. In the foregoing, alternative system configurations based on protractors according to the present invention are described. These cover a number of different measurement needs within industry and research.

Måling av enkeltpunkters koordinater benyttes for eksempel i forbindelse med opprigging eller oppretting av konstruksjoner. Dynamisk måling kan appliseres for eksempel for måling av utsving eller vibrasjoner, i små eller store konstruksjoner. Ved riktig plassering av et antall lyspunkter kan deres respektive bevegelser gi tilstrekkelig informasjon til å studere konstruksjonens svingemoder. Measuring the coordinates of individual points is used, for example, in connection with setting up or erecting structures. Dynamic measurement can be applied, for example, to measure fluctuations or vibrations, in small or large structures. By correctly placing a number of light points, their respective movements can provide sufficient information to study the structure's swing modes.

Måling av et objekts romlige posisjon og orientering, statisk og dynamisk, benyttes i for eksempel følgende sammenhenger: modellbevegelser i vindtunneller og havlaboratorier og Measurement of an object's spatial position and orientation, static and dynamic, is used in, for example, the following contexts: model movements in wind tunnels and marine laboratories and

ellers hvor nøyaktighet og berøringsfrlhet er viktig, relativ posisjonering av to objekter ("dokking"), for otherwise where accuracy and tactility are important, relative positioning of two objects ("docking"), for

eksempel robotarm og arbeidsstykke, example robot arm and workpiece,

styring av automatiserte kjøretøyer ("Automatic Guided management of automated vehicles ("Automatic Guided

Vehicels") 1 produksjons- og lagerlokaler. Vehicels") 1 production and storage premises.

Profilmållng utføres i stor grad innenfor bil-, fly, og hvitevareindustrien i forbindelse med kvalitetskontroll ved produksjon av krummede flater. Dagens bruk av mekaniske målemaskiner har store begrensninger, og nøyaktige, berø-ringsf rie systemer er derfor sterkt etterspurt. Følgende anvendelser er mest aktuelle: kvalitetskontroll av krumme flater produsert ved numerisk Profile measurement is largely carried out within the car, aircraft and white goods industries in connection with quality control in the production of curved surfaces. Today's use of mechanical measuring machines has major limitations, and accurate, contact-free systems are therefore in high demand. The following applications are most relevant: quality control of curved surfaces produced by numerical

styrt fresemaskin eller ved bruk av presseverktøy, kontroll av presseverktøy, både ved fremstilling av disse controlled milling machine or when using press tools, control of press tools, both during the production of these

og for monitorering av deres slitasje, and for monitoring their wear and tear,

digitalisering av flater, for eksempel i forbindelse med estetisk utforming av produkter eller aerodynamisk model-lering. digitization of surfaces, for example in connection with the aesthetic design of products or aerodynamic modelling.

Ferdig pressede detaljer kontrolleres i dag 1 bilindustrien ved hjelp av mekaniske fiksturer. Ved hjelp av disse kontrolleres flaten i et antall kritiske punkter. For hver ny flate som skal produseres, må det i tillegg til presseverktøyet, tas frem en slik kontrollfikstur. Et system ifølge den foreliggende oppfinnelse kan erstatte disse, enten ved avsøkning over hele flaten ved hjelp av laser, eller ved belysning av et antall definerte punkter ved fast monterte lasere. Dette gir en raskere, sikrere, og langt mer fleksibel løsning. Et system kan enkelt tilpasses til kontroll av en ny type flate. Finished pressed parts are checked today in the automotive industry using mechanical fixtures. With the help of these, the surface is checked in a number of critical points. For each new surface to be produced, such a control fixture must be produced in addition to the press tool. A system according to the present invention can replace these, either by scanning over the entire surface using a laser, or by illuminating a number of defined points with permanently mounted lasers. This provides a faster, safer and far more flexible solution. A system can easily be adapted to control a new type of surface.

Ved de her foreslåtte løsninger oppnås forbedret produkt-kvalitet ved hyppigere og sikrere kontroller, muligheter for å løse kontrolloppgaver som Ikke kan gjennomføres med eksisterende teknikker eller som blir for tungvinte, samt at systemet gir bedre økonomi ved at det er billigere i anskaffelse og er i stand til å løse flere oppgaver enn konvensjonelle systemer. With the solutions proposed here, improved product quality is achieved through more frequent and safer checks, opportunities to solve control tasks that cannot be carried out with existing techniques or that are too cumbersome, and that the system provides better economy by being cheaper to acquire and is in capable of solving more tasks than conventional systems.

I de fleste tilfeller forutsetter målebehovene at man har et system som kan bringes dit måleobjektet befinner seg, f.eks. i en produksjonslinje eller hos en underleverandør. All maskinvare behøver derfor være lett transportabel og slik at systemets funksjon ikke krever faste, innmålte vinkelmålere. Det vil derfor ikke være behov for et målelaboratorlum for bruk av systemet ifølge foreliggende oppfinnelse. Det foreliggende system vil også kunne spesifiseres for bruk i industrimiljø. In most cases, the measurement needs require that you have a system that can be brought to the location of the measurement object, e.g. in a production line or with a subcontractor. All hardware therefore needs to be easily transportable and so that the system's function does not require fixed, measured protractors. There will therefore be no need for a measuring laboratory room for use of the system according to the present invention. The present system will also be able to be specified for use in an industrial environment.

Claims

1. Opto-electronic meter for measuring the direction in two dimensions of active light sources or points illuminated by light sources (10), which meter comprises a spherical lens unit (2) and a two-dimensional sensor matrix (3), characterized by: - means for to calculate said direction based on the position of the image (12) of said light sources or illuminated points (10) through the lens unit (2) on the sensor matrix (3), based on a calibration table stored in said means, said meter being calibrated once for all, after which it can be used for measurements in various places without having to be calibrated again, said calibration is carried out by first determining the rotationally symmetrical point (7) for said protractor's lens unit (2), and that the relationship between spatial direction and position on the sensor matrix (3) is then found using a high-precision angular reference, and Whereas the aforementioned calibration table is obtained using light sources with a well-defined and known spectral distribution, and means for statistical analysis of intensity values for several adjacent matrix elements to improve resolution and accuracy in the angular measurements of fractions of the size of the sensor elements.

2. Procedure for calibrating an opto-electronic meter as specified in claim 1, characterized by: that said meter is calibrated once and for all, after which the can be used for measurements at various locations without having to be calibrated again, which calibration includes: determination of the rotationally symmetrical point (7) for said protractor's lens unit (2) in that an adjustable device (4) is mounted on the gauge for attachment to turntable, in a position corresponding to the camera's rotation axes, so that if the lens unit's optical axis (5) defines the x-axis, the attachment device (4) will define the meter's z-axis (6) and the y-axis will be defined by orthogonality to both x- and z-axis, that the meter is mounted on a turntable (36) and leveled so that the optical axis (5) lies in the horizontal plane, that at least two light sources (25, 26) are mounted in approximately the same horizontal plane as the meter's optical axis, so that a a straight line can be drawn through the light sources and the rotation axis of the turntable (36), and that the fixing of the meter on the turntable is adjusted until the aforementioned light sources are depicted in identical horizontal positions in the sensor matrix (3) coordinate system when the meter is rotated over its entire field of view, and that the fixing device (4) fixed to the gauge in this position, calibration of said protractor for measuring angles relative to said two axes of rotation, using a mainly vertical linear device consisting of either a number of point-shaped light sources or reflective points (25 - 27) mounted along a straight line or an illuminated linear device in the form of, for example, a wire (41) or slot with a length corresponding to the protractor's field of view in one dimension, by: either the protractor is mounted on a high-precision lathe table (36) and is leveled so that one of its rotation axes is exactly vertical, parallel and coinciding with the turntable's rotation axis, and said vertical linear device is mounted parallel to said rotation axis, by the protractor rotating? step by step and that the image of said vertical linear arrangement and the angle of the turntable is recorded for each step, or that the protractor is mounted and leveled so that one of its axis of rotation is exactly vertical, and said vertical linear device is mounted parallel to said axis of rotation and at a known distance from it, that said linear vertical device is moved step by step in a known direction mainly across the optical axis of the meter (5), and that the position of said device and associated image are registered for each step, and that this procedure is repeated for the protractor's second rotation axis, to then process all data to calculate the mathematical relationship between spatial angle and position of an image on the sensor array, and to create said two-dimensional calibration table that relates image coordinates to spatial direction in the form of vertical and horizontal angles, - that said calibration table is obtained by using light sources with a well-defined and known spectral distribution.

3. Method as stated in claim 2, characterized in that: said vertical linear device consists of a small number of point-shaped light sources or illuminated points (25 - 27) mounted so that only a small part of the protractor's vertical field of view is covered by the length of the setup, and that only part of the protractor's field of view can be calibrated with the protractor mounted and leveled, and that the rest of the protractor's vertical field of view is calibrated using a mounting device (45, 47) which allows incremental tilting of the protractor about an axis normal to its optical axis (5), so that in each tilted position a part of the sensor matrix (3) is calibrated, and the tilt angle is measured for use in calculation of the relationship between the recorded image coordinates and spatial angle.

4. System for opto-electronic measurement of spatial coordinates for one or more light sources or points illuminated by one or more light sources (22, 25-27), consisting of a minimum of two protractors (13, 14) as stated in claim 1, characterized by: one or more camera processors (15, 16) for calculating spatial directions for said light sources or illuminated points relative to each of the angle meters based on the positions of the image of said light sources or illuminated points through the sensor units on the sensor arrays, a data processor (17) for calculating the light sources or the coordinates of the illuminated points based on the recorded angular data, that said data processor (17) contains means for determine the relationships between the protractors' internal coordinate systems and a global coordinate system by: either that the positions of the protractors (13, 14) are known and that their orientation is calculated by measuring their direction relative to a common reference point (28) in the form of a light source or an illuminated point in a known position, or that said data processor (17) is set up to calculate ning of the protractors' position and orientation on the basis of measured directions to at least three light sources in known global coordinates, or that said data processor (17) is arranged for calculation ning the protractors' position and orientation on the basis of measured directions to a number of fixed points, of which the mutual distance between two points is known, and the position of a third point defines the orientation of the global coordinate system.

5. System as stated in claim 4, in which the individual light sources or illuminated points (22, 25 - 27) are movable, characterized in that the data processor (17) contains means for recording the dynamic progress of the individual light sources or light points' coordinates, absolute and relative to each other.

6. System as stated in claim 4 or 5, characterized by: that the system includes a number of light sources (25 - 27) with associated electrical power supply (24), and that a number of objects (29) are each mounted on at least three of said light sources in known positions relative to the individual objects' internal coordinate system, and that the data processor (17) is designed to calculate, based on the determined global coordinates for each individual light point (25 - 27), the absolute and relative spatial positions and orientation of the individual objects (29).

7. System as stated in claim 4 or 5, characterized in that the system contains means (20, 21) for point-by-point illumination of a surface (23), and that the data processor (17) is designed for storing sets of coordinates for points on a surface, and based on these coordinates to form a mathematical model that provides a complete description of the said surface.

8. System as specified in claim 4 or 5, characterized by: that the system contains a number of light sources (30 - 32) with fixed beam direction for spot illumination of an object or a surface (23), and that the data processor (17) is designed to register the coordinates for the light rays' impact points (33-35) on the object (23), and compare these with nominal values.