NO165046B - Opto-elektronisk system for vinkelmaaling. - Google Patents

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.

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.

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.

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.

Berøringsfri geometrimåling er tidligere utført enten ved bruk av teodolitter, eller ved fotogrammetriteknikk.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 .

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.

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.

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.

Ifølge oppfinnelsen kjennetegnes den innledningsvis nevnte måler ved

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

er oppnådd ved bruk av lyskilder med en veldefinert og kjent spektralfordeling, og

middel for statistisk analyse av intensitetsverdier for flere naboliggende matriseelementer for å forbedre oppløsning og nøyaktighet i vinkelmålingene til brøkdeler av størrelsen av sensorelementene.

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.

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 .

Ifølge oppfinnelsen kjennetegnes de innledningsvis nevnte fremgangsmåter for kalibrering av nevnte vinkelmåler ved

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

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,

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,

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,

og at denne prosedyren gjentas for vinkelmålerens andre rotasjonsakse, for deretter å behandle alle data for å

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,

at nevnte kalibreringstabell oppnås ved bruk av lyskilder med en veldefinert og kjent spektralfordeling.

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.

Det innledningsvis nevnte system kjennetegnes ifølge oppfinnelsen primært ved

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,

en dataprosessor for beregning av lyskildenes eller de belyste punktenes koordinater ut fra de registrerte vinkeldataene,

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,

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 ,

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.

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.

Figur 1 a-b illustrerer den prinsipielle oppbyggingen av en

vinkelmåler, og

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

blokkskjema.

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

dreieanordninger for vinkelmåleren.

Figur 8 a-e illustrerer en fremgangsmåte for kalibrering av en vinkelmåler ved bruk av et array av aktive lyskilder eller reflekspunkter.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

I kameraprosessoren utføres følgende funksjoner:

kontroll av avbildnlngstidspunkt og eksponeringstid,

digitalisering av avbildningsdataene dersom dette ikke er gjort i vinkelmålerens elektronikk,

lagring av digitale avbildningsdatåi i en to-dimensjonal

hukomme1sesoppsti11ing,

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,

nøyaktig beregning av intensitetsmaksimaenes posisjon på

matrisen for hvert enkelt lyspunkt,

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.

Systemet kan håndtere et antall simultant lysende punkter, så lenge deres innbyrdes posisjoner er entydige.

Vinkelverdiene overføres til en sentral dataprosessor 17 for videre beregninger. Dataprosessorens funksjon avhenger av applikasjon og systemkonfigurasjon. Typiske applikasjoner er forklart i det følgende.

Kameraprosessorer og dataprosessorer er bygget opp med basis i kommersielt tilgjengelig elektronikk og programvare for billedprosessering.

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.

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.

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.

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.

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.

Bruk av flere enn to vinkelmålere gir målingene redundans, og derved bedre nøyaktighet. Bruk av to målere gir redundans i lyspunktets z-koordinat.

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.

Bedret nøyaktighet oppnås ved bruk av flere vinkelmålere, og/eller dersom flere lyskilder montert på objektet.

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.

Avsøkingssystemer bestående av laser, to-akset speil, modul for dynamisk fokusering;, og all tilhørende drivelektronikk, er kommersielt tilgjengelig.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

På basis av de innsamlede data beregnes en todimensjonal kalibreringstabell, som lagres i en hukommelsesoppstilling i den tilhørende kameraprosessor.

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.

Alle kalibreringskurver kan verifiseres ved måling av vinkler til lyskilder i kjente posisjoner, ved bruk av dreiebordet.

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.

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.

Måling av et objekts romlige posisjon og orientering, statisk og dynamisk, benyttes i for eksempel følgende sammenhenger: modellbevegelser i vindtunneller og havlaboratorier og

ellers hvor nøyaktighet og berøringsfrlhet er viktig, relativ posisjonering av to objekter ("dokking"), for

eksempel robotarm og arbeidsstykke,

styring av automatiserte kjøretøyer ("Automatic Guided

Vehicels") 1 produksjons- og lagerlokaler.

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

styrt fresemaskin eller ved bruk av presseverktøy, kontroll av presseverktøy, både ved fremstilling av disse

og for monitorering av deres slitasje,

digitalisering av flater, for eksempel i forbindelse med estetisk utforming av produkter eller aerodynamisk model-lering.

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.

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.

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.

Claims (8)

1. Opto-elektronisk måler for måling av retningen i to dimensjoner til aktive lyskilder eller punkter belyst av lyskilder (10), hvilken måler omfatter en sfærisk linse-enhet (2) og en to-dimensjonal sensormatrise (3), karakterisert ved: - middel for å beregne nevnte retning ut fra posisjonen av avbildningen (12) av nevnte lyskilder eller belyste punkter (10) gjennom linse-enheten (2) på sensormatrisen (3), 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 (7) for nevnte vinkelmålers linseenhet (2) først er bestemt, og at sammenhengen mellom romlig retning og posisjon på sensormatrisen (3) deretter er funnet ved bruk av en høy-presisjons vinkelreferanse, og Idet nevnte kalibreringstabell er oppnådd ved bruk av lyskilder med en veldefinert og kjent spektralfordeling, og middel for statistisk analyse av intensitetsverdier for flere naboliggende matriseelementer for å forbedre oppløs-ning og nøyaktighet i vinkelmålingene til brøkdeler av størrelsen av sensorelementene.

2. Fremgangsmåte for kalibrering av opto-elektronisk måler som angitt i krav l,karakterisert ved: 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 (7) for nevnte vinkelmålers linseenhet (2) ved at det på måleren monteres en justerbar anordning (4) for innfesting til dreiebord, i en posisjon svarende til kameraets rotasjonsakser, slik at om linseenhetens optiske akse (5) definerer x-aksen, vil festeanordningen (4) definere målerens z-akse (6) og y aksen vil være definert ved ortogonalitet til både x- og z-aksen, at måleren monteres på et dreiebord (36) og nivelleres slik at den optiske akse (5) ligger i horisontalplanet, at minimum to lyskilder (25, 26) monteres i tilnærmet samme horisontale plan som målerens optiske akse, slik at en rett linje kan trekkes gjennom lyskildene og dreiebordets (36) rotasjonsakse, og at innfestingen av måleren på dreiebordet justeres inntil de nevnte lyskildene avbildes i identiske horisontale posisjoner i sensormatrisens (3) koordinatsystem når måleren dreies over hele sitt synsfelt, og at festeanordningen (4) fikseres til måleren i denne posisjonen, 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 (25 - 27) montert langs en rett linje eller en belyst lineær innretning i form av for eksempel en tråd (41) eller spalte med en lengde svarende til vinkelmålerens synsfelt i en dimensjon, ved: enten at vinkelmåleren monteres på et høy-presisjons dreie bord (36) 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 rotere? stegvis og at avbildningen av nevnte vertikale lineære oppstilling og dreiebordets vinkel registreres for hvert steg, 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, at nevnte lineære vertikale anordning flyttes stegvis i en kjent retning hovedsakelig på tvers av målerens optiske akse (5), og at posisjonen av nevnte anordning og tilhørende avbildning registreres for hvert steg, og at denne prosedyren gjentas for vinkelmålerens andre rotasjonsakse, for deretter å behandle alle data for å 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 horlsontalvinkler, - at nevnte kalibreringstabell oppnås ved bruk av lyskilder med en veldefinert og kjent spektralfordeling.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved: at nevnte vertikale lineære anordning består av et lite antall av punktformede lyskilder eller belyste punkter (25 - 27) montert slik at bare en liten del av vinkelmålerens vertikale synsfelt dekkes av oppstillingens lengde, og at bare en del av vinkelmålerens synsfelt kan kalibreres med vinkelmåleren montert og nivellert, og at resten av vinkelmålerens vertikale synsfelt kalibreres ved bruk av en monteringsanordning (45, 47) som tillater stegvis tilting av vinkelmåleren omkring en akse normalt på dens optiske akse (5), slik at i hver tiltet posisjon kalibreres en del av sensormatrisen (3), og tiltevinkelen måles for bruk ved beregning av relasjonen mellom de registrerte billedkoordinater og romlig vinkel.

4. System for opto-elektronisk måling av romlige koordinater for en eller flere lyskilder eller punkter belyst av en eller flere lyskilder (22, 25-27), bestående av minimum to vinkelmålere (13, 14) som angitt i krav 1, karakterisert ved: en eller flere kameraprosessorer (15, 16) 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 llnse-enhetene på sensormatrisene, en dataprosessor (17) for beregning av lyskildenes eller de belyste punktenes koordinater ut fra de registrerte vinkeldataene, at nevnte dataprosessor (17) inneholder midler for å bestemme relasjonene mellom vinkelmålerenes interne koordinatsystemer og et globalt koordinatsystem ved: enten at vinkelmålerenes (13, 14) posisjoner er kjent og at deres orientering beregnes ved måling av deres retning relativt et felles referansepunkt (28) i form av en lyskilde eller et belyst punkt i en kjent posisjon, eller at nevnte dataprosessor (17) er innrettet for bereg ning av vinkelmålerenes posisjon og orientering på basis av målte retninger til minst tre lyskilder i kjente globale koordinater, eller at nevnte dataprosessor (17) er innrettet for bereg ning 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.

5. System som angitt i krav 4, i hvilket de enkelte lyskilder eller belyste punkt (22, 25 - 27) er bevegelige, karakterisert ved at dataprosessoren (17) Inneholder middel for å registrere det dynamiske forløp av de enkelte lyskilder eller lyspunkters koordinater, absolutt og relativt til hverandre.

6. System som angitt i krav 4 eller 5,karakterisert ved: at systemet inkluderer et antall lyskilder (25 - 27) med tilhørende elektrisk kraftforsyning (24), og at et antall objekter (29) hver er påmontert minimum tre av nevnte lyskilder i kjente posisjoner relativt til de enkelte objektenes interne koordinatsystem, og at dataprosessoren (17) er utformet til å beregne, basert på de fastsatte globale koordinater for hvert enkelt lyspunkt (25 - 27), de enkelte objekters (29) absolutte og relative romlige posisjoner og orientering.

7. System som angitt i krav 4 eller 5,karakterisert ved at systemet inneholder middel (20, 21) for punktvis belysning av en overflate (23), og at dataprosessoren (17) er utformet for lagring av sett av koordinater for punkter på en overflate, og for basert på disse koordinater å danne en matematisk modell som gir en fullstendig beskrivelse av den nevnte overflate.

8. System som angitt i krav 4 eller 5,karakterisert ved: at systemet Inneholder et antall lyskilder (30 - 32) med fast stråleretning for punktvis belysning av et objekt eller en flate (23), og at dataprosessoren (17) er utformet for å registrere koordinatene for lysstrålenes treffpunkter (33-35) på objektet (23), og sammenholde disse med nominelle verdier.