DE102020211136A1

DE102020211136A1 - Verfahren zum Bestimmen von einer Änderung mindestens einer Luftsäuleneigenschaft in optischen Navigationssystemen

Info

Publication number: DE102020211136A1
Application number: DE102020211136.7A
Authority: DE
Inventors: Nils Haverkamp; Wolfgang Högele
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2020-09-03
Publication date: 2022-03-03

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Bestimmen von einer Änderung mindestens einer Luftsäuleneigenschaft (110) in mindestens einem Arbeitsvolumen (112) eines optischen Navigationssystems (114) vorgeschlagen. Das optische Navigationssystem (114) umfasst weiterhin mindestens ein Multilaterationssystem (122). Das Multilaterationssystem (122) weist mindestens drei Retroreflektoren (124) und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten (126) oder mindestens sechs Retroreflektoren (124) und mindestens drei Lokalisierungseinheiten (126) auf. Die Lokalisierungseinheiten (126) sind entweder um das Arbeitsvolumen (112) herum angeordnet, oder die Retroreflektoren (124) sind um die Lokalisierungseinheiten (126) herum angeordnet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von einer Änderung mindestens einer Luftsäuleneigenschaft in mindestens einem Arbeitsvolumen eines optischen Navigationssystems und ein optisches Navigationssystem. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der optischen Koordinatenmesstechnik.
Technischer Hintergrund
Distanz- bzw. Koordinatenmessungen über sehr große Distanzen, beziehungsweise für große Werkstücke werden für die industrielle Messtechnik zunehmend mit Genauigkeiten gefordert, wie sie bisher nur für vergleichsweise geringe Distanzen und kleine Werkstücke erforderlich waren. Die bisherigen Systemdesigns können hierbei an unüberwindbare Grenzen stoßen, wenn nicht eine völlig unrealistische Umgebung für den Einsatz der Maschine gefordert werden soll. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei den tradierten und im Wesentlichen mechanischen Systemdesigns die Genauigkeit aus einem genauen Bewegungssystem, auch als Mover bezeichnet, bereitgestellt wird, mit welchem die Sensorik zu Vermessung des Werkstückes gleichzeitig zugestellt und positionserfasst wird. Für Genauigkeiten im Bereich einzelner Mikrometer auf Werkstücken mit typischen Längenabmessungen von einigen Metern und in Fertigungsumgebungsbedingungen können die tradierten Systemdesigns ungeeignet sein. Besser geeignet sein kann eine Auftrennung der Aufgaben Sensorzustellung und Sensorlokalisierung: Ein vergleichsweise ungenauer Mover stellt den Sensor zu, und ein optisches System erfasst die Sensorkoordinaten, siehe T-Scan plus LaserTracker von Leica. Allerdings kann dieser Ansatz auf großen Strecken beziehungsweise in großen Volumina unter Umständen das Genauigkeitspotential der verwendeten optischen Abstandsmesstechnik nicht voll nutzen. Dies ist zu einem großen Teil darauf zurückzuführen, dass insbesondere im Fertigungsumfeld die Eigenschaften der Luft, in welcher sich das Licht der optischen Abstandsmesstechnik ausbreitet, nicht hinreichend konstant sind.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, Abstandsmesstechnik derart auszulegen, dass Änderungen des Ausbreitungsmediums entlang der Messstrecke erfasst werden können. Guillory et al. beschreiben in „Towards Kilometric Distance Measurements with Air Refractive Index Compensation“ beispielsweise einen Ansatz über einen Messaufbau mit zwei verwendeten Laser-Wellenlängen von 785 nm und 1550 nm. Der beschriebene Messaufbau ist allerdings, wie der allgemeine Stand der Technik auf diesem Gebiet bislang, mit erheblichem zusätzlichen Hardware-Aufwand verbunden, mit welchem bereits existierende optische Systeme ergänzt werden müssten, und somit aus Komplexitäts- und Kostengründen unattraktiv.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll eine Kompensation von Schwankungen von Luftsäuleneigenschaften mit geringer Komplexität hinsichtlich Hardware ermöglicht werden.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird adressiert durch Verfahren und Vorrichtungen mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen von einer Änderung mindestens einer Luftsäuleneigenschaft in mindestens einem Arbeitsvolumen eines optischen Navigationssystems vorgeschlagen.
Der Begriff „Luftsäule“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Luftmenge beziehen, welche sich zwischen einem Beobachtungsort und einem Objekt befindet, dessen Abstand zum Beobachtungsort gemessen werden soll. Der Begriff „Luftsäuleneigenschaft“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf mindestens eine physikalische Eigenschaft, insbesondere optische Eigenschaft, der Luftsäule beziehen. Die Luftsäuleneigenschaft kann insbesondere mindestens eine Eigenschaft umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Brechzahl; einer Brechzahlverteilung im Arbeitsvolumen; einer Brechzahlschwankung; und einer Turbulenz. Der Begriff „Brechzahl“, wie er hier verwendet wird, auch Brechungsindex oder optische Dichte genannt, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine optische Eigenschaft eines Mediums beziehen, welche durch das Verhältnis der Wellenlänge des Lichts im Vakuum zur Wellenlänge des Lichts im Medium festgelegt werden kann. Das Medium ist insbesondere Luft. Zur Bestimmung der Brechzahl n in Luft kann die sogenannte Edlen-Gleichung genutzt werden: $n (λ, t, p, x, p_{ω}) - 1 = K (λ) D (t, p, x) - p_{ω} g (λ),$
wobei K, D und g zwei Faktoren beschrieben in Bönsch, G. and E. Potulski (1998), „Measurement of the refractive index of air and comparison with modified Edlen's formulae“, IOP Metrologia, Volume 35, No. 2, pp. 133-139, t die Temperatur, p der Druck, x der CO₂ Anteil und p_ω der Partialdruck von Wasserdampf ist. Der Begriff „Änderung der Luftsäuleneigenschaft“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Variation und/oder Schwankung der Luftsäuleneigenschaft entlang einer Messstrecke, insbesondere einem optischen Pfad, beziehen. Die Luftsäuleneigenschaft entlang der Messstrecke kann räumlich und/oder zeitlich inhomogen sein, beispielsweise können Brechzahlschwankungen auftreten. Derartige Inhomogenitäten können beispielsweise in industriellen Fertigungsumgebungen auftreten. Beispielsweise können auch Turbulenzen, also räumlich und zeitlich variierende Verwirbelungen, auftreten.
Der Begriff „System“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Vorrichtung umfassend eine Mehrzahl von Komponenten oder Elementen beziehen, welche zumindest teilweise zusammenwirken, um mindestens eine Funktion zu erfüllen.
Der Begriff „optisches Navigationssystem“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein technisches System beziehen, welches eingerichtet ist zur optischen Positionsbestimmung. Das optische Navigationssystem kann eingerichtet sein, um eine Kalibrierung mindestens einer Präzisionsmaschine, insbesondere eines Koordinatenmessgeräts oder einer Bearbeitungsmaschine, durchzuführen. Die optische Positionsbestimmung kann ein Bestimmen mindestens einer räumlichen Position und/oder Orientierung umfassen. Die Bestimmung der räumlichen Position und/oder der Orientierung kann in einem Koordinatensystem erfolgen, beispielsweise einem kartesischen Koordinatensystem oder einem Kugelkoordinatensystem. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann in einem Punkt des optischen Navigationssystems sein. Der Begriff „räumlichen Position“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen dreidimensionalen Punkt (X, Y, Z) in dem Koordinatensystem beziehen. Die räumliche Position kann durch die Ortskoordinaten X, Y und Z definiert sein. Der Begriff „Orientierung“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Rotation des Messobjekts beziehen, insbesondere eine Winkelposition. Die Orientierung kann durch mindestens drei Winkel angegeben werden, beispielsweise Eulerwinkel oder Neigungswinkel, Rollwinkel und Gierwinkel. Die räumliche Position und Orientierung kann zusammen auch als sechsdimensionale Information oder 6D-Information bezeichnet werden.
Das optische Navigationssystem umfasst mindestens ein Multilaterationssystem. Der Begriff „Multilateration“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein geometrisches Verfahren zum Bestimmen von Koordinaten mindestens eines Punktes im Raum beziehen, bei welchem ein Abstand des Punktes zu mindestens drei anderen bekannten Punkten bestimmt wird und aus diesem die Koordinaten des Punktes bestimmt werden. Der Begriff „Multilaterationssystem“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein System beziehen, welches dazu eingerichtet ist eine Multilateration durchzuführen.
Das Multilaterationssystem umfasst mindestens drei Retroreflektoren und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten oder mindestens sechs Retroreflektoren und mindestens drei Lokalisierungseinheiten. Das Multilaterationssystem kann eingerichtet sein eine 6-DoF-Multilateration durchzuführen. Eine relative Position, insbesondere eine räumliche Position und/oder ein Abstand, der Retroreflektoren zueinander und/oder eine relative Position, insbesondere eine räumliche Position und/oder ein Abstand der Lokalisierungseinheiten zueinander, können bekannt sein. Beispielsweise können die Retroreflektoren in einer Ebene in Form eines Dreiecks angeordnet sein. Die Längen der Seiten des Dreiecks können bekannt sein. Unter der Voraussetzung, dass die relative Lage der Retroreflektoren zueinander bekannt ist, kann aus einer Abfolge von mit den Lokalisierungseinheiten gemessenen Längenänderungen 3D-Trajektorien aller drei Retroreflektoren, bzw. eine 6D-Trajektorie eines Systems der Retroreflektoren, rekonstruiert werden.
Der Begriff „Retroreflektor“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine beliebige Vorrichtung beziehen, welche einen Lichtstrahl in diejenige Richtung reflektiert aus der der Lichtstrahl eingetroffen ist. Beispielsweise kann der Retroreflektor ein Marker sein. Beispielsweise kann der Retroreflektor ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Katzenauge; einem Katzenauge mit Reflektionsschicht; einem Marker beschrieben in US 2011/0007326 A1 , US 2013/0050410 A1 oder US 2017/0258531 A1 , deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird; einem Würfelprisma; einem cornercube.
Der Begriff „Lokalisierungseinheit“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine grundsätzlich beliebige Vorrichtung beziehen, welche eingerichtet ist, mindestens eine Lokalisierungsinformation zu erzeugen. Die Lokalisierungsinformation kann ausgewählt sein aus mindestens einer Information aus der Gruppe bestehend aus: einem Messsignal in Abhängigkeit vom Ort des von der Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektors; einer Information über einen Abstand des von der Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektors zu der Lokalisierungseinheit; eine Information über eine Entfernung des von der Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektors zu der Lokalisierungseinheit; eine Information über eine relative Lage des von der Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektors zu der Lokalisierungseinheit; und einer Information über eine Längenänderung.
Die Lokalisierungseinheit, insbesondere jede der Lokalisierungseinheiten, kann mindestens eine auf Laufzeit- und/oder Interferometrie-Messprinzipien basierende Sensorik aufweisen. Die Lokalisierungseinheit, insbesondere jede der Lokalisierungseinheiten, kann mindestens ein Element umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Lasertracer; einem Lasertracker; einem LIDAR-Sensor, bevorzugt einem FMCW-LIDAR-Sensor, Flugzeit (TOF)-Abstandsmesser, andere Abstandsmesser, beispielsweise basierend auf mindestens einem modengekoppelten Laser.
Der Begriff „Lasertracer“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine beliebige Messvorrichtung beziehen welche eingerichtet ist interferometrisch einen Abstand, insbesondere eine Abstandsänderung, zu einem Retroreflektor zu bestimmen. Der Lasertracer kann eingerichtet sein, eine Position des Retroreflektors zu verschiedenen Zeitpunkten nachzuverfolgen. Der Lasertracer kann eingerichtet sein, einem sich im Raum bewegenden Retroreflektor mittels eines Laserstrahls zu folgen. Eine Messung der Abstandsänderung kann inkrementell erfolgen. Der Lasertracer kann ein inkrementelles Messsystem mit großem Blickbereich, insbesondere einem großen Schwenkbereich einer Laserstrahlrichtung, sein. Beispielsweise können zur Messung der Abstandsänderung mindestens zwei aufeinanderfolgende Messungen erforderlich sein. Der Lasertracer kann einen großen Winkelbereich abdecken. Beispielsweise kann der Laserstrahl des Lasertracers in dem großen Winkelbereich schwenkbar sein.
Der Begriff „Lasertracker“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine beliebige Messvorrichtung beziehen, welche eingerichtet ist interferometrisch einen Abstand und/oder eine Richtung eines Retroreflektors zu bestimmen, insbesondere relativ zu Achsen, welche von einer Optomechanik des Lasertrackers definiert werden.
Der Begriff „LIDAR-Sensor“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine beliebige Vorrichtung beziehen, welche auf dem LIDAR („light detection and ranging“)-Messprinzip, auch LADAR (laser detection and ranging) genannt, basiert. Insbesondere kann der LIDAR-Sensor eingerichtet sein, einen Lichtstrahl, beispielsweise einen Laserstrahl, zu erzeugen und zu empfangen, insbesondere den zuvor von ihr ausgesendeten und zu ihr zurückreflektierten Lichtstrahl, und daraus einen Abstand zwischen dem LIDAR-Sensor und dem Retroreflektor zu bestimmen, beispielsweise unter Ausnutzung von Unterschieden in den Rücklaufzeiten und Wellenlängen. Bevorzugt kann die Lokalisierungseinheit einen FMCW-LIDAR-Sensor aufweisen. Hierbei steht „FMCW“ als Abkürzung für den englischen Ausdruck „Frequency Modulated Continuous Wave“. Der FMCW-LIDAR-Sensor kann eingerichtet sein, den Lichtstrahl zu erzeugen, dessen Frequenz nach dem FMCW-Verfahren kontinuierlich durchgestimmt wird. Beispielsweise kann die Frequenz des Lichtstrahls linear mit der Zeit moduliert sein. Eine Kombination von LIDAR-Verfahren und FMCW-Verfahren sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus Chip-scale Lidar, Benham Behroozpur Baghmisheh, Technical Report No. UCB/EECS.2017-4. Beispielsweise kann die LIDAR-Einheit wie in US 9,559,486 B2 , US 8,913,636 B2 oder US 2016/123718 A1 ausgestaltet sein. FMCW-LIDAR-Sensoren sind gegenüber Lasertracern robuster und kostengünstiger. Des Weiteren können die FMCW-LIDAR-Sensoren unempfindlich gegen sogenannte line-of-sight-Unterbrechungen sein, da es sich um absolute Messsysteme handelt. Weiterhin können hybride Systeme unter Hinzunahme modengekoppelter Laser verwendet werden.
Das Multilaterationssystem kann ein selbstkalibrierendes Multilaterationssystem sein. Bei einer Verwendung von drei Retroreflektoren und sechs Lokalisierungseinheiten können die Lokalisierungseinheiten und die Retroreflektoren in einer der folgenden Konfigurationen zueinander angeordnet und/oder ausgerichtet sein: vier Lokalisierungseinheiten auf einen ersten Retroreflektor, eine Lokalisierungseinheit auf einen zweiten Retroreflektor und eine Lokalisierungseinheit auf einen dritten Retroreflektor (vier-eins-eins); drei Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, zwei Lokalisierungseinheiten auf den zweiten Retroreflektor und eine Lokalisierungseinheit auf den dritten Retroreflektor (drei-zwei-eins); zwei Lokalisierungseinheiten auf den ersten Retroreflektor, zwei Lokalisierungseinheiten auf den zweiten Retroreflektor und zwei Lokalisierungseinheiten auf den dritten Retroreflektor (zwei-zwei-zwei).
Beispielsweise kann das optische Navigationssystem den ersten Retroreflektor, den zweiten Retroreflektor und den dritten Retroreflektor aufweisen. Beispielsweise kann das optische Navigationssystem eine erste Lokalisierungseinheit, eine zweite Lokalisierungseinheit, eine dritte Lokalisierungseinheit, eine vierte Lokalisierungseinheit, eine fünfte Lokalisierungseinheit und eine sechste Lokalisierungseinheit aufweisen. Die erste, die zweite, die dritte und die vierte Lokalisierungseinheit können auf den ersten Retroreflektor ausgerichtet sein, auch als auf diesen eingelocked bezeichnet, und diesen beleuchten. Die fünfte Lokalisierungseinheit kann auf den zweiten Retroreflektor ausgerichtet sein und diesen beleuchten. Der dritte Retroreflektor kann von der sechsten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Dies entspricht der Konfiguration vier-eins-eins. Es wird darauf hingewiesen, dass sowohl in diesem als auch in den folgenden Beispielen die Ordnungszahlen der Retroreflektoren und Lokalisierungseinheiten als Bezeichnungen zur Unterscheidung verwendet werden. Dementsprechend können die Lokalisierungseinheiten untereinander austauschbar oder vertauschbar sein. Auch die Retroreflektoren können untereinander austauschbar oder vertauschbar sein. Bezogen auf das obige Beispiel kann beispielsweise der zweite Retroreflektor von der sechsten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein und der dritte Retroreflektor kann von der fünften Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Weitere Kombinationen sind möglich. Vier Lokalisierungseinheiten folgen somit dem gleichen Retroreflektor und können jeweils eine Abstandsmessung zwischen Lokalisierungseinheit und dem Retroreflektor durchführen. Es können somit mehr Abstandsmessungen durchgeführt werden als Raumkoordinaten bestimmt werden müssen. Nach einer bestimmten Anzahl von Abstandsmessungen kann die Lage der Lokalisierungseinheiten relativ zueinander bestimmt werden. Ein derartiges Multilaterationssystem wird als selbstkalibrierend bezeichnet.
Beispielsweise kann der erste Retroreflektor von der ersten, der zweiten und der dritten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der zweite Retroreflektor kann von der vierten und der fünften Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der dritte Retroreflektor kann von der sechsten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Dies entspricht der Konfiguration drei-zwei-eins. Beispielsweise kann der erste Retroreflektor von der ersten und der zweiten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der zweite Retroreflektor kann von der dritten und der vierten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Der dritte Retroreflektor kann von der fünften und der sechsten Lokalisierungseinheit beleuchtet sein. Dies entspricht der Konfiguration zwei-zwei-zwei. Vertauschungen der Lokalisierungseinheiten untereinander und der Retroreflektoren untereinander sind möglich.
Die Lokalisierungseinheiten sind um das Arbeitsvolumen herum angeordnet oder die Retroreflektoren sind um die Lokalisierungseinheiten herum angeordnet. Der Begriff „Arbeitsvolumen“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein Volumen beziehen, in welchem die optische Positionsbestimmung erfolgen kann. Die Retroreflektoren können gemeinsam mit den Lokalisierungseinheiten das Arbeitsvolumen aufspannen und/oder definieren. Das Arbeitsvolumen kann von einem Messbereich des optischen Navigationsgeräts bestimmt sein, also einem Bereich, in dem die optische Positionsbestimmung innerhalb festgelegter Grenzen erfolgen kann. Das Arbeitsvolumen kann ein 6-(Degree of Freedom) DOF-Tracking-Volumen sein.
Der Begriff „um das Arbeitsvolumen herum angeordnet“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Anordnung beziehen, in welcher die Retroreflektoren von außen nach innen von den Lokalisierungseinheiten beleuchtet werden. Die Lokalisierungseinheiten können insbesondere nicht in einer Mitte des Arbeitsvolumens konzentriert sein und/oder können an oder in der Nähe einer Volumenbegrenzung nicht komplanar verteilt sein. Mindestens zwei Lokalisierungseinheiten können derart positioniert sein, dass sie einander gegenüberstehen. Der Begriff „sich einander gegenüberstehen“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine relative räumliche Position der Lokalisierungseinheiten zueinander beziehen, derart, dass Beobachtungsrichtungen der einander gegenüberstehende Lokalisierungseinheiten antiparallel zueinander sind. Die sich einander gegenüberstehenden Lokalisierungseinheiten können auf einer gemeinsamen Geraden oder Verbindungslinie angeordnet sein, wobei das zu vermessende Messobjekt zwischen den Lokalisierungseinheiten angeordnet ist. Sich ändernde Luftsäuleneigenschaften können so über damit einhergehende scheinbare Positionsverlagerungen aus Widersprüchen des zu lösenden Gleichungssystems bei der Ermittlung der Position des Messobjekts abgeleitet werden können. Die Luftsäuleneigenschaften können zusätzliche Freiheitgrade einfügen, welche das Anfahren weiterer Positionen erfordern, bevor das Gleichungssystem gelöst werden kann. Wenn sich die Luftsäuleneigenschaften langsamer ändern, als ein Anfahren der benötigten Positionen dauert, so kann das System im beschriebenen Sinne selbstkalibrierend durch Bezugnahme auf die rückgeführte Laserwellenlänge der verwendeten Lokalisierungseinheiten sein.
Der Begriff „um die Lokalisierungseinheiten herum angeordnet“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Anordnung beziehen, in welcher die Lokalisierungseinheiten die Retroreflektoren von innen nach außen beleuchten. Die Retroreflektoren können an einem Messobjekt angeordnet sein und die Lokalisierungseinheiten können im Raum angeordnet sein und/oder die Lokalisierungseinheiten können an dem Messobjekt angeordnet sein und die Retroreflektoren können im Raum angeordnet sein. Die Retroreflektoren können weit auseinanderliegend angeordnet sein. Die Retroreflektoren können derart angeordnet sein, dass sie innerhalb des Arbeitsvolumens weit auseinanderliegen. Die Lokalisierungseinheiten können jeweils eine Halterung aufweisen zur Anordnung, Aufstellung und/oder Befestigung der Lokalisierungseinheiten. Auch die Retroreflektoren können jeweils mindestens eine Halterung aufweisen zur Anordnung, Aufstellung und/oder Befestigung der Retroreflektoren.
Der Begriff „Messobjekt“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein beliebig geformtes zu vermessendes Objekt beziehen. Beispielsweise kann das Messobjekt auch ein Messkopf eines Sensors oder ein Werkzeug sein, mit welchem ein Bauteil abgetastet werden kann.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Erzeugen jeweils mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls mit mindestens zwei der Lokalisierungseinheiten und Beleuchten eines gemeinsamen Retroreflektors oder eines Retroreflektor-Ensembles aus unterschiedlichen Raumrichtungen mit den Beleuchtungslichtstrahlen der Lokalisierungseinheiten;
b) Empfangen jeweils mindestens eines des von dem gemeinsam beleuchteten Retroreflektor oder dem Retroreflektor-Ensemble reflektierten Lichtstrahls und Erzeugen jeweils mindestens eines Messsignals mit den, den Retroreflektor gemeinsam oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheiten;
c) Auswerten der Messsignale der Lokalisierungseinheiten, wobei das Auswerten ein Bestimmen einer ersten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors oder des Retroreflektor-Ensembles aus einem Messsignal einer ersten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheit und einer zweiten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors oder des Retroreflektor-Ensembles aus einem Messsignal einer zweiten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheit umfasst, so dass für den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor oder das Retroreflektor-Ensemble zwei Positionen bestimmt werden;
d) Bestimmen der Luftsäuleneigenschaft durch Vergleichen der ersten Position und der zweiten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors oder des Retroreflektor-Ensembles, wobei eine im Wesentlichen identische Änderung der ersten Position und der zweiten Position als eine Änderung der Luftsäuleneigenschaft charakterisiert wird.

Die Verfahrensschritte können in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden.
Der Begriff „Beleuchtungslichtstrahl“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen beliebigen Lichtstrahl beziehen, welcher emittiert und/oder ausgesandt wird, um den Retroreflektor zu beleuchten. Insbesondere kann es sich bei dem Beleuchtungslichtstrahl um einen von einer der Lokalisierungseinheiten zur Beleuchtung eines der Retroreflektoren erzeugten Lichtstrahl handeln. Die Lokalisierungseinheiten können jeweils mindestens eine Beleuchtungseinheit aufweisen. Die Beleuchtungseinheit kann eine Lichtquelle aufweisen, insbesondere eine Laserquelle.
Der Begriff „Licht“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine elektromagnetische Strahlung in mindestens einem Spektralbereich ausgewählt aus dem sichtbaren Spektralbereich, dem ultravioletten Spektralbereich und dem Infraroten Spektralbereich beziehen. Der Begriff sichtbarer Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 380 nm bis 780 nm. Der Begriff Infraroter (IR) Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 780 nm bis 1000 µm, wobei der Bereich von 780 nm bis 1.4 µm als nahes Infrarot (NIR), und der Bereich von 15 µm bis 1000 µm als fernes Infrarot (FIR) bezeichnet wird. Der Begriff ultraviolett umfasst grundsätzlich einen Spektralbereich von 100 nm bis 380 nm. Der Begriff „Lichtstrahl“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Lichtmenge beziehen, welche in eine bestimmte Richtung emittiert und/oder ausgesandt wird.
Das Verfahren umfasst ein Empfangen jeweils mindestens eines des von dem gemeinsam beleuchteten Retroreflektor oder von dem Retroreflektor-Ensemble reflektierten Lichtstrahls und Erzeugen jeweils mindestens eines Messsignals mit den, den Retroreflektor gemeinsam oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheiten. Die Lokalisierungseinheiten können jeweils eingerichtet sein, mindestens einen reflektierten Lichtstrahl von dem von der jeweiligen Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektor zu empfangen und mindestens ein Messsignal in Antwort auf den reflektierten Lichtstrahl zu erzeugen. Der Begriff „Messsignal“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein beliebiges, insbesondere ein elektrisches, Signal beziehen, beispielsweise eine Spannung oder ein Strom, welches gemäß dem reflektierten, empfangenen Lichtstrahl oder unter Verwendung des reflektierten, empfangenen Lichtstrahls erzeugt wurde.
Das Verfahren umfasst ein Auswerten der Messsignale der Lokalisierungseinheiten. Das Auswerten kann unter Verwendung mindestens einer Auswerteeinheit erfolgen. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten die Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors oder des Retroreflektor-Ensembles zu bestimmen. Das Auswerten umfasst ein Bestimmen einer ersten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors oder des Retroreflektor-Ensembles aus einem Messsignal einer ersten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheit und einer zweiten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors oder des Retroreflektor-Ensembles aus einem Messsignal einer zweiten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheit, so dass für den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor oder das Retroreflektor-Ensemble zwei Positionen bestimmt werden. Das Auswerten kann ein Rekonstruieren einer 3D-Trajektorie des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors oder des Retroreflektor-Ensembles umfassen. Das Auswerten kann ein Durchführen eines Multilaterationsverfahrens umfassen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, mindestens ein Multilaterationsverfahren zur Bestimmung der 6D-Information des beleuchteten Retroreflektors durchzuführen. Der Begriff „Auswerteeinheit“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Vorrichtung beziehen, welche eingerichtet ist, einen oder mehrere Auswerteschritte durchzuführen. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung aufweisen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Auswerteeinheit kann insbesondere als zentrale Auswerteeinheit für die gesamte Messvorrichtung ausgestaltet sein. Alternativ ist jedoch auch eine dezentrale Auswerteeinheit mit mehreren einzelnen, miteinander kooperierenden Bestandteilen möglich. Die Auswerteeinheit kann weiterhin mindestens eine Benutzerschnittstelle aufweisen, beispielsweise mindestens eine Tastatur und/oder mindestens ein Display. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, die Messsignale der Lokalisierungseinheiten aufzunehmen und zu verarbeiten.
Mindestens einer der Retroreflektoren wird von mindestens zwei der Lokalisierungseinheiten aus unterschiedlichen Raumrichtungen beleuchtet. Es sind Ausführungsformen denkbar, in denen mindestens zwei der Retroreflektoren von mindestens zwei der Lokalisierungseinheiten aus unterschiedlichen Raumrichtungen beleuchtet werden. Es sind Ausführungsformen denkbar, in denen jeder der Retroreflektoren von mindestens zwei der Lokalisierungseinheiten aus unterschiedlichen Raumrichtungen beleuchtet wird. Das gemeinsame Beleuchten mindestens eines der Retroreflektoren ermöglicht festzustellen, welche scheinbaren von den Lokalisierungseinheiten festgestellten Positionsänderungen des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors auf Änderungen der Luftsäuleneigenschaft zurückzuführen sind. Eine Änderung der Brechzahl bewirkt eine gleiche scheinbare Änderung des Abstandes eines Retroreflektors zu zwei, oder mehr, in unterschiedlichen Raumrichtung liegenden Lokalisierungseinheiten. Diese gleiche scheinbare Änderung ist physikalisch nicht möglich, da der Retroreflektor nur an einem Ort auszeichnet, so dass solche Abstandsänderungen, welche auf mehreren Lokalisierungseinheiten im Gleichtakt auftreten nur auf Brechzahlschwankungen zurückgeführt werden können. Bei einer Verwendung von extrem schnellen Lasertracern, beispielsweise mit einer Positionserfassungsrate von > 1kHz, können auch Turbulenzeinflüsse erfasst werden. Dies ist insbesondere für die Fertigungsumgebung vorteilhaft, da keine Änderung der Luftsäule für Messzwecke erforderlich wird.
Alternativ kann ein Retroreflektor-Ensemble mit den Beleuchtungslichtstrahlen der Lokalisierungseinheiten beleuchtet werden. Unter einem Retroreflektor-Ensemble kann eine Gruppe von mindestens zwei Retroreflektoren verstanden werden, deren Abstand im Vergleich zur Luftsäule klein und fix ist. Die Retroreflektoren können von verschiedenen Lokalisierungseinheiten beleuchtet werden, wobei es nicht notwendig ist, dass zwei Lokalisierungseinheiten einen gemeinsamen Retroreflektor beleuchten. Zusätzliche Retroreflektoren, von denen keiner von mehr als einer Lokalisierungseinheit beleuchtet wird, können ein Target umfassend die Retroreflektoren klobiger machen. Für viele Anwendungen können klobige Targets unproblematisch oder sogar aus Handhabbarkeitssicht vorteilhaft sein, weil der begrenzte Akzeptanzwinkel der Retroreflektoren weniger stark begrenzend auf die Größe des abgedeckten Lokalisierungsvolumens wirkt. Das unten beschriebene Gleichungssystem kann eindeutig lösbar sein, wenn keiner der Retroreflektoren des Ensembles gleichzeitig aus entgegenliegenden Richtungen angeleuchtet wird. Die einzelnen Retroreflektoren des Ensembles können hinreichend zeitinvariant angeordnet sein und die Lokalisierungseinheiten einander gegenüberliegen, derart, dass diese aus einander gegenüberliegenden Richtungen in das Lokalisierungsvolumen blicken.
In dem Verfahren kann eine Mehrzahl von Messpositionen angefahren werden. Das Verfahren kann ein Ausrichten der Lokalisierungseinheiten umfassen. Das Verfahren kann ein Verändern einer relativen Position der Retroreflektoren zu den Lokalisierungseinheiten umfassen. An jeder der Messpositionen kann die Luftsäuleneigenschaft bestimmt werden. So kann eine Verteilung der Luftsäuleneigenschaft bestimmt werden.
Das Bestimmen der Luftsäuleneigenschaft umfasst einen Vergleich der ersten und der zweiten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors oder des Retroreflektor-Ensembles. Eine im Wesentlichen identische Änderung der ersten und zweiten Position wird dabei als eine Änderung der Luftsäuleneigenschaft charakterisiert. Der Begriff „im Wesentlichen identisch“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere darauf beziehen, dass zwei Messwerte sich lediglich aufgrund statistischer Fehler im Rahmen definierter Toleranzen unterscheiden. Insbesondere kann sich der Begriff darauf beziehen, dass sich Positionen und/oder Änderungen von Positionen, beispielsweise in Form von Positionsänderungen wie Abstandsänderungen, lediglich aufgrund statistischer Abweichungen im Rahmen definierter Toleranzen unterscheiden. Beispielsweise kann eine optische Pfadlänge zwischen der ersten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor beleuchtenden, Lokalisierungseinheit und dem gemeinsam beleuchteten Retroreflektor l₁ betragen und eine angenommene Brechzahl entlang der Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls n₁ sein. Beispielsweise kann eine optische Pfadlänge zwischen der zweiten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor beleuchtenden, Lokalisierungseinheit und dem gemeinsam beleuchteten Retroreflektor l₂ betragen und eine angenommene Brechzahl entlang der Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls n₂ sein. Für eine konstante Brechzahl der Luftsäule gilt: $d x = d l_{1} = - d l_{2} .$
Für eine variable Brechzahl der Luftsäule gilt hingegen: $d n_{1} = \frac{d l_{1}}{l_{1}} \cdot n_{1} \approx \frac{d l_{1}}{l_{1}}$
und $d n_{2} = \frac{d l_{2}}{l_{2}} \cdot n_{2} \approx \frac{d l_{2}}{l_{2}} .$
Das Verfahren kann ein Kompensieren und/oder Minimieren eines Einflusses der Luftsäuleneigenschaft auf eine Lokalisierungsgenauigkeit des Multilaterationssystems durch Kompensationsrechnung unter Berücksichtigung der bestimmten Luftsäuleneigenschaft umfassen. Die Begriffe „Kompensieren“ und „Minimieren“, wie sie hier verwendet werden, sind weite Begriffe, denen ihre gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Die Begriffe sind nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Die Begriffe können, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein Berücksichtigen der Luftsäuleneigenschaft bei der Positionsbestimmung umfassen. Beispielsweise kann die Luftsäuleneigenschaft als systematischer Fehler bei der Bestimmung der Position berücksichtigt werden. Beispielsweise könnte eine zu erwartende Unsicherheit der durchgeführten Lokalisierungen angegeben werden und/oder eine geschätzte Statistik der Genauigkeit der durchgeführten Lokalisierungen.
Das Verfahren kann ein Erfassen mindestens eines Umgebungsparameters mit mindestens einer Umgebungsparametererfassungseinheit umfassen. Der Begriff „Umgebungsparameter“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine physikalische Eigenschaft beziehen. Die Umgebungsparameter können beispielsweise Temperatur, Luftdruck und/oder Luftfeuchtigkeit in dem Arbeitsvolumen umfassen. Die Umgebungsparametererfassungseinheit kann mindestens einen Sensor zur Erfassung eines Umgebungsparameters aufweisen. Der Sensor kann ein Temperatursensor und/oder ein Drucksensor und/oder ein Feuchtesensor sein. Eine Verwendung der Umgebungsparametererfassungseinheit kann ein online-Auswerten gemäß der Edlen-Gleichung erlauben. Das Verfahren kann ein Bestimmen einer Brechzahlverteilung für das Arbeitsvolumen umfassen. Das Bestimmen der Brechzahlverteilung kann ein Lösen der Edlen-Gleichung unter Berücksichtigung der Umgebungsparameter umfassen.
Das Beleuchten des jeweiligen Retroreflektors mit dem Beleuchtungslichtstrahl und das Empfangen des reflektierten Lichtstrahls kann über Freiluftstrecken erfolgen. Alternativ oder zusätzlich können feste und/oder temperaturinvariante Interferometerstrecken vorgesehen sein. Das Multilaterationssystem kann die festen und/oder temperaturinvarianten Interferometerstrecken aufweisen. Beispielsweise können drei feste Interferometerstrecken, beispielsweise entlang von Begrenzungskanten des Arbeitsvolumens aufgespannt werden. Eine Fusion der Auswertungen gemäß der Edlen-Gleichung für die Umgebungsparameter, der fest verbauten Interferometer und der beweglichen interferometrischen Messtrecken der 6-DOF-Multilateration kann eine Berechnung der momentanen Brechzahlverhältnisse erlauben, so dass eine Online-Kompensation, also während des Auswertens, des Einflusses von Brechzahlschwankungen möglich ist.
Zumindest die Verfahrensschritte c) und d) können computerimplementiert sein und/oder automatisch durchgeführt werden. Der Begriff „computerimplementiert“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein Verfahren beziehen, welches mindestens einen Computer und/oder mindestens ein Computer-Netzwerk involviert. Der Computer und/oder das Computer-Netzwerk können mindestens einen Prozessor umfassen, wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist mindestens einen Verfahrensschritt des Verfahrens der Erfindung durchzuführen. Bevorzugt wird jeder der Verfahrensschritte jeweils von dem Computer und/oder dem Computer-Netzwerk durchgeführt. Der Begriff „automatisch“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen Prozess beziehen, welcher vollständig durch einen Computer und/oder ein Computer-Netzwerk und/oder eine Maschine insbesondere ohne Benutzerinteraktion und/oder manuelles Eingreifen durchgeführt wird. Eine Benutzerinteraktion kann erforderlich sein, um den Prozess und/oder einzelne Prozessschritte einzuleiten. Die Benutzerinteraktion kann das Auswählen von mindestens einem Datensatz und/oder das Eingeben mindestens eines Befehls umfassen.
Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm vorgeschlagen, das bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere die Schritte c) und d) des erfindungsgemäßen Verfahrens, in einer seiner Ausgestaltungen ausführt.
Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere die Schritte c) und d) des erfindungsgemäßen Verfahrens, in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird. Insbesondere können die Programmcode-Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger und/oder einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein.
Die Begriffe „computerlesbarer Datenträger“ und „computerlesbares Speichermedium“, wie sie hier verwendet werden, können sich insbesondere auf nicht-transitorische Datenspeicher beziehen, beispielsweise ein Hardware-Datenspeichermedium, auf welchem computer-ausführbare Instruktionen gespeichert sind. Der computerlesbare Datenträger oder das computerlesbare Speichermedium können insbesondere ein Speichermedium wie ein Random-Access Memory (RAM) und/oder ein Read-Only Memory (ROM) sein oder umfassen.
Außerdem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Datenträger vorgeschlagen, auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden in einen Arbeits- und/oder Hauptspeicher eines Computers oder Computer-Netzwerkes das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere die Schritte c) und d) des erfindungsgemäßen Verfahrens, in einer seiner Ausgestaltungen ausführen kann.
Auch wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um zumindest die Schritte c) und d) des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird.
Dabei wird unter einem Computer-Programmprodukt das Programm als handelbares Produkt verstanden. Es kann grundsätzlich in beliebiger Form vorliegen, so zum Beispiel auf Papier oder einem computerlesbaren Datenträger und kann insbesondere über ein Datenübertragungsnetz verteilt werden.
Weiter wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein moduliertes Datensignal vorgeschlagen, welches von einem Computersystem oder Computernetzwerk ausführbare Instruktionen zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere der Schritte c) und d) des erfindungsgemäßen Verfahrens, nach einer der beschriebenen Ausführungsformen enthält.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optisches Navigationssystem vorgeschlagen. Das optische Navigationssystem weist mindestens ein Multilaterationssystem auf. Das Multilaterationssystem umfasst mindestens drei Retroreflektoren und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten oder mindestens sechs Retroreflektoren und mindestens drei Lokalisierungseinheiten. Die Lokalisierungseinheiten sind um das Arbeitsvolumen herum angeordnet oder die Retroreflektoren sind um die Lokalisierungseinheiten herum angeordnet. Mindestens zwei der Lokalisierungseinheiten sind eingerichtet jeweils mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und einen gemeinsamen Retroreflektor oder ein Retroreflektor-Ensemble aus unterschiedlichen Raumrichtungen zu beleuchten. Die den Retroreflektor gemeinsam oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheiten sind eingerichtet jeweils mindestens einen des von dem gemeinsam beleuchteten Retroreflektor oder dem Retroreflektor-Ensemble reflektierten Lichtstrahl zu empfangen und jeweils mindestens ein Messsignal zu erzeugen. Das optische Navigationssystem weist mindestens eine Auswerteeinheit auf. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, um die Messsignale der Lokalisierungseinheiten auszuwerten. Das Auswerten umfasst ein Bestimmen einer ersten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors oder des Retroreflektor-Ensembles aus einem Messsignal einer ersten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheit und einer zweiten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors oder des Retroreflektor-Ensembles aus einem Messsignal einer zweiten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheit, so dass für den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor oder das Retroreflektor-Ensemble zwei Positionen bestimmt werden. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, um die Luftsäuleneigenschaft durch Vergleichen der ersten Position und der zweiten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors oder des Retroreflektor-Ensembles zu bestimmen. Eine im Wesentlichen identische Änderung der ersten Position und der zweiten Position wird als eine Änderung der Luftsäuleneigenschaft charakterisiert.
Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, einen oder mehrere Auswerteschritte durchzuführen. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung aufweisen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Auswerteeinheit kann insbesondere als zentrale Auswerteeinheit für das gesamte optische Navigationssystem ausgestaltet sein. Alternativ ist jedoch auch eine dezentrale Auswerteeinheit mit mehreren einzelnen, miteinander kooperierenden Bestandteilen möglich. Die Auswerteeinheit kann weiterhin mindestens eine Benutzerschnittstelle aufweisen, beispielsweise mindestens eine Tastatur und/oder mindestens ein Display. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, die Messsignale der Lokalisierungseinheiten aufzunehmen und zu verarbeiten.
Das optische Navigationssystem kann eingerichtet sein ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Für weitere Definitionen und Ausgestaltungen des optischen Navigationssystems kann auf Definitionen und Ausgestaltungen des Verfahrens zum Bestimmen von einer Änderung mindestens einer Luftsäuleneigenschaft verwiesen werden.
Das optische Navigationssystem kann weiterhin mindestens eine Steuereinheit aufweisen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein die Lokalisierungseinheiten relativ zu den Retroreflektoren auszurichten. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein eine Mehrzahl von Messpositionen anzufahren. An jeder der Messpositionen können die Luftsäuleneigenschaft bestimmt werden. Der Begriff „Steuereinheit“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Vorrichtung beziehen, welche eingerichtet ist, mindestens ein Bauteil oder einen Prozess zu steuern oder zu regeln. Beispielsweise kann die Steuereinheit mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung aufweisen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Steuereinheit kann insbesondere als zentrale Steuereinheit für die gesamte Messvorrichtung ausgestaltet sein. Alternativ ist jedoch auch eine dezentrale Steuereinheit mit mehreren einzelnen, miteinander kooperierenden Bestandteilen möglich. Die Steuereinheit kann weiterhin mindestens eine Benutzerschnittstelle aufweisen, beispielsweise mindestens eine Tastatur und/oder mindestens ein Display. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Lokalisierungseinheiten relativ zu den Retroreflektoren auszurichten. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, eine Bewegung der Lokalisierungseinheiten zu steuern oder zu regeln.
Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein zu einem Kompensieren und/oder Minimieren eines Einflusses der Luftsäuleneigenschaft auf eine Lokalisierungsgenauigkeit des Multilaterationssystems durch Kompensationsrechnung unter Berücksichtigung der bestimmten Luftsäuleneigenschaft.
Jede der Lokalisierungseinheiten kann mindestens ein Element aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Lasertracer; einem Lasertracker; einem LIDAR-Sensor, bevorzugt einem FMCW-LIDAR-Sensor, Flugzeit (TOF)-Abstandsmesser, andere Abstandsmesser, beispielsweise basierend auf mindestens einem modengekoppelten Laser.
Das optische Navigationssystem kann mindestens eine Umgebungsparametererfassungseinheit umfassen, welche eingerichtet ist, um mindestens einen Umgebungsparameter zu erfassen. Die Umgebungsparametererfassungseinheit kann mindestens einen Sensor zur Erfassung eines Umgebungsparameters aufweisen. Der Sensor kann ein Temperatursensor und/oder ein Drucksensor und/oder ein Feuchtesensor sein.
Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um eine Brechzahlverteilung für das Arbeitsvolumen zu bestimmen. Das Bestimmen der Brechzahlverteilung kann ein Lösen der Edlen-Gleichung unter Berücksichtigung der Umgebungsparameter umfassen.
Das optische Navigationssystem kann Freiluftstrecken und/oder feste und/oder temperaturinvariante Interferometerstrecken umfassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung weisen zahlreiche Vorteile gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren auf. Es kann im Rahmen hochgenauer Positionsmessungen eine Kompensation von Schwankungen von Luftsäuleneigenschaften, mit geringer Komplexität hinsichtlich der Hardware, ermöglicht werden. Hardware, die zur Positionserfassung von Messobjekten genutzt werden kann, kann ohne zusätzliche Komponenten auch zur Kompensation der Schwankungen von Luftsäuleneigenschaften verwendet werden. Durch die hohe Positionserfassungsrate optischer Navigationssysteme können dabei sogar Turbulenzeinflüsse erfasst werden. Dieses kann insbesondere für Fertigungsumgebungen vorteilhaft sein, da somit keine Aufbereitung der Luftsäule für Messzwecke mehr erforderlich ist. Insgesamt kann ein hohes Genauigkeitspotential optischer Positionserfassungssysteme mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch auf großen Messstrecken und bei großen Messobjekten in Fertigungsumgebungen erreicht werden.
Zusammenfassend werden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, folgende Ausführungsformen vorgeschlagen:

Ausführungsform 1: Verfahren zum Bestimmen von einer Änderung mindestens einer Luftsäuleneigenschaft in mindestens einem Arbeitsvolumen eines optischen Navigationssystems, wobei das optische Navigationssystem mindestens ein Multilaterationssystem umfassend mindestens drei Retroreflektoren und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten oder mindestens sechs Retroreflektoren und mindestens drei Lokalisierungseinheiten aufweist, wobei die Lokalisierungseinheiten um das Arbeitsvolumen herum angeordnet sind oder die Retroreflektoren um die Lokalisierungseinheiten herum angeordnet sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
1. a) Erzeugen jeweils mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls mit mindestens zwei der Lokalisierungseinheiten und Beleuchten eines gemeinsamen Retroreflektors oder eines Retroreflektor-Ensembles aus unterschiedlichen Raumrichtungen mit den Beleuchtungslichtstrahlen der Lokalisierungseinheiten;
2. b) Empfangen jeweils mindestens eines des von dem gemeinsam beleuchteten Retroreflektor oder dem Retroreflektor-Ensemble reflektierten Lichtstrahls und Erzeugen jeweils mindestens eines Messsignals mit den, den Retroreflektor gemeinsam oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheiten;
3. c) Auswerten der Messsignale der Lokalisierungseinheiten, wobei das Auswerten ein Bestimmen einer ersten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors oder des Retroreflektor-Ensembles aus einem Messsignal einer ersten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheit und einer zweiten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors oder des Retroreflektor-Ensembles aus einem Messsignal einer zweiten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheit umfasst, so dass für den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor oder das Retroreflektor-Ensemble zwei Positionen bestimmt werden;
4. d) Bestimmen der Luftsäuleneigenschaft durch Vergleichen der ersten Position und der zweiten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors oder des Retroreflektor-Ensembles, wobei eine im Wesentlichen identische Änderung der ersten Position und der zweiten Position als eine Änderung der Luftsäuleneigenschaft charakterisiert wird.
Ausführungsform 2: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Verfahren ein Kompensieren und/oder Minimieren eines Einflusses der Luftsäuleneigenschaft auf eine Lokalisierungsgenauigkeit des Multilaterationssystems durch Kompensationsrechnung unter Berücksichtigung der bestimmten Luftsäuleneigenschaft umfasst.
Ausführungsform 3: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei jede der Lokalisierungseinheiten mindestens eine auf Laufzeit- und/oder Interferometrie-Messprinzipien basierende Sensorik aufweist, wobei die Sensorik mindestens ein Element umfasst ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Lasertracer; einem Lasertracker; einem LIDAR-Sensor, bevorzugt einem FMCW-LIDAR-Sensor, Flugzeit (TOF)-Abstandsmesser, andere Abstandsmesser, beispielsweise basierend auf mindestens einem modengekoppelten Laser.
Ausführungsform 4: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Luftsäuleneigenschaft mindestens eine Eigenschaft umfasst ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Brechzahl; einer Brechzahlverteilung im Arbeitsvolumen; einer Brechzahlschwankung; und einer Turbulenz.
Ausführungsform 5: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren ein Erfassen mindestens eines Umgebungsparameters mit mindestens einer Umgebungsparametererfassungseinheit umfasst, wobei die Umgebungsparametererfassungseinheit mindestens einen Sensor zur Erfassung eines Umgebungsparameters aufweist, wobei der Sensor ein Temperatursensor und/oder ein Drucksensor und/oder ein Feuchtesensor ist.
Ausführungsform 6: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Multilatertionssystem feste und/oder temperaturinvariante Interferometerstrecken aufweist.
Ausführungsform 7: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei in dem Verfahren eine Mehrzahl von Messpositionen angefahren wird, wobei das Verfahren ein Verändern einer relativen Position der Retroreflektoren zu den Lokalisierungseinheiten umfasst, wobei an jeder der Messpositionen die Luftsäuleneigenschaft bestimmt wird.
Ausführungsform 10: Optisches Navigationssystem, wobei das optische Navigationssystem mindestens ein Multilaterationssystem aufweist, wobei das Multilaterationssystem mindestens drei Retroreflektoren und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten oder mindestens sechs Retroreflektoren und mindestens drei Lokalisierungseinheiten umfasst, wobei die Lokalisierungseinheiten um das Arbeitsvolumen herum angeordnet sind oder die Retroreflektoren um die Lokalisierungseinheiten herum angeordnet sind, wobei mindestens zwei der Lokalisierungseinheiten eingerichtet sind jeweils mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und einen gemeinsamen Retroreflektor oder ein Retroreflektor-Ensemble aus unterschiedlichen Raumrichtungen zu beleuchten, wobei die den Retroreflektor gemeinsam oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheiten eingerichtet sind jeweils mindestens einen des von dem gemeinsam beleuchteten Retroreflektor oder dem Retroreflektor-Ensemble reflektierten Lichtstrahl zu empfangen und jeweils mindestens ein Messsignal zu erzeugen, wobei das optische Navigationssystem mindestens eine Auswerteeinheit aufweist, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, um die Messsignale der Lokalisierungseinheiten auszuwerten, wobei das Auswerten ein Bestimmen einer ersten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors oder des Retroreflektor-Ensembles aus einem Messsignal einer ersten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheit und einer zweiten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors oder des Retroreflektor-Ensembles aus einem Messsignal einer zweiten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheit umfasst, so dass für den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor oder das Retroreflektor-Ensemble zwei Positionen bestimmt werden, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, um die Luftsäuleneigenschaft durch Vergleichen der ersten Position und er zweiten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors oder des Retroreflektor-Ensembles zu bestimmen, wobei eine im Wesentlichen identische Änderung der ersten Position und der zweiten Position als eine Änderung der Luftsäuleneigenschaft charakterisiert wird.
Ausführungsform 11: Optisches Navigationssystem nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das optische Navigationssystem eingerichtet ist ein Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen durchzuführen.
Ausführungsform 12: Optisches Navigationssystem nach einer der vorhergehenden, ein optisches Navigationssystem betreffenden, Ausführungsformen, wobei das optische Navigationssystem weiterhin mindestens eine Steuereinheit aufweist, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, die Lokalisierungseinheiten relativ zu den Retroreflektoren auszurichten, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist eine Mehrzahl von Messpostionien anzufahren, wobei an jeder der Messpositionen die Luftsäuleneigenschaft bestimmt wird.
Ausführungsform 13: Optisches Navigationssystem nach einer der vorhergehenden, ein optisches Navigationssystem betreffenden, Ausführungsformen, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist zu einem Kompensieren und/oder Minimieren eines Einflusses der Luftsäuleneigenschaft auf eine Lokalisierungsgenauigkeit des Multilaterationssystems durch Kompensationsrechnung unter Berücksichtigung der bestimmten Luftsäuleneigenschaft.
Ausführungsform 14: Optisches Navigationssystem nach einer der vorhergehenden, ein optisches Navigationssystem betreffenden Ausführungsformen, wobei jede der Lokalisierungseinheiten mindestens ein Element aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Lasertracer; einem Lasertracker; einem LIDAR-Sensor, bevorzugt einem FMCW-LIDAR-Sensor.
Ausführungsform 15: Optisches Navigationssystem nach einer der vorhergehenden, ein optisches Navigationssystem betreffenden Ausführungsformen, wobei das optische Navigationssystem mindestens eine Umgebungsparametererfassungseinheit umfasst, welche eingerichtet ist, um mindestens einen Umgebungsparameter zu erfassen, wobei die Umgebungsparametererfassungseinheit mindestens einen Sensor zur Erfassung eines Umgebungsparameters aufweist, wobei der Sensor ein Temperatursensor und/oder ein Drucksensor und/oder ein Feuchtesensor ist.
Ausführungsform 16: Optisches Navigationssystem nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, um eine Brechzahlverteilung für das Arbeitsvolumen zu bestimmen, wobei das Bestimmen der Brechzahlverteilung ein Lösen der Edlen-Gleichung unter Berücksichtigung der Umgebungsparameter umfasst.
Ausführungsform 17: Optisches Navigationssystem nach einer der vorhergehenden, ein optisches Navigationssystem betreffenden Ausführungsformen, wobei das optische Navigationssystem Freiluftstrecken und/oder feste und/oder temperaturinvariante Interferometerstrecken umfasst.
Ausführungsform 18: Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um ein Verfahren nach einer der vorhergehenden, ein Verfahren betreffenden, Ausführungsformen, insbesondere mindestens Schritte c) und d) des Verfahrens, durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Computer-Netzwerk ausgeführt wird.

Figurenliste
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
Im Einzelnen zeigen:

1 eine schematische Darstellung für ein Bestimmen einer Änderung einer Luftsäuleneigenschaft in einem Arbeitsvolumen;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Navigationssystems;
3 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Navigationssystems; und
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Navigationssystems.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Darstellung für ein Bestimmen einer Änderung einer Luftsäuleneigenschaft 110 in einem Arbeitsvolumen 112 eines optischen Navigationsgeräts 114.
Die Luftsäuleneigenschaft 110 kann mindestens eine physikalische Eigenschaft, insbesondere eine optische Eigenschaft, der Luftsäule 116 umfassen. Die Luftsäuleneigenschaft 110 kann insbesondere mindestens eine Eigenschaft umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Brechzahl; einer Brechzahlverteilung im Arbeitsvolumen; einer Brechzahlschwankung; und einer Turbulenz. Zur Bestimmung der Brechzahl n in Luft kann die sogenannte Edlen-Gleichung genutzt werden: $n (λ, t, p, x, p_{ω}) - 1 = K (λ) D (t, p, x) - p_{ω} g (λ),$
wobei K, D und g zwei Faktoren beschrieben in Bönsch, G. and E. Potulski (1998), „Measurement of the refractive index of air and comparison with modified Edlen's formulae“, IOP Metrologia, Volume 35, No. 2, pp. 133-139, t die Temperatur, p der Druck, x der CO₂ Anteil und p_ω der Partialdruck von Wasserdampf ist. Die Änderung der Luftsäuleneigenschaft 110 kann eine Variation und/oder Schwankung der Luftsäuleneigenschaft 110 entlang einer Messstrecke 118 umfassen. Die Luftsäuleneigenschaft 110 entlang der Messstrecke 118 kann räumlich und/oder zeitlich inhomogen sein, beispielsweise können Brechzahlschwankungen auftreten. Beispielsweise können auch Turbulenzen, also räumlich und zeitlich variierende Verwirbelungen, auftreten.
Wie in 1 gezeigt, wird mindestens ein Retroreflektor 124 von mindestens zwei Lokalisierungseinheiten 126 aus unterschiedlichen Raumrichtungen beleuchtet. Der Retroreflektor 124 und die Lokalisierungseinheiten 126 können Teil eines optischen Navigationssystems 114 umfassend mindestens ein Multilaterationssystem 122 sein.
Der Retroreflektor 124 kann eine beliebige Vorrichtung sein, welche einen Lichtstrahl 128 in diejenige Richtung reflektiert, aus der der Lichtstrahl 128 eingetroffen ist. Beispielsweise kann der Retroreflektor 124 ein Marker sein. Beispielsweise kann der Retroreflektor 124 ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Katzenauge; einem Katzenauge mit Reflektionsschicht; einem Marker beschrieben in US 2011/0007326 A1 , US 2013/0050410 A1 oder US 2017/0258531 A1 , deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird; einem Würfelprisma; einem cornercube.
Die Lokalisierungseinheit 126 kann eine grundsätzlich beliebige Vorrichtung sein, welche eingerichtet ist, mindestens eine Lokalisierungsinformation zu erzeugen. Die Lokalisierungsinformation kann ausgewählt sein aus mindestens einer Information aus der Gruppe bestehend aus: einem Messsignal in Abhängigkeit vom Ort des von der Lokalisierungseinheit 126 beleuchteten Retroreflektors 124; einer Information über einen Abstand des von der Lokalisierungseinheit 126 beleuchteten Retroreflektors 124 zu der Lokalisierungseinheit 126; eine Information über eine Entfernung des von der Lokalisierungseinheit 126 beleuchteten Retroreflektors 124 zu der Lokalisierungseinheit 126; eine Information über eine relative Lage des von der Lokalisierungseinheit 126 beleuchteten Retroreflektors 124 zu der Lokalisierungseinheit 126; und einer Information über eine Längenänderung.
Die Lokalisierungseinheiten 126 können mindestens eine auf Laufzeit- und/oder Interferometrie-Messprinzipien basierende Sensorik aufweisen. Die Lokalisierungseinheiten 126 können jeweils mindestens ein Element umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Lasertracer; einem Lasertracker; einem LIDAR-Sensor, bevorzugt einem FMCW-LIDAR-Sensor, Flugzeit (TOF)-Abstandsmesser, andere Abstandsmesser beispielsweise basierend auf einem modengekoppelten Laser.
Der Lasertracer kann eine beliebige Messvorrichtung sein, welche eingerichtet ist interferometrisch einen Abstand, insbesondere eine Abstandsänderung, zu einem Retroreflektor 124 zu bestimmen. Der Lasertracer kann eingerichtet sein, eine Position des Retroreflektors 124 zu verschiedenen Zeitpunkten nachzuverfolgen. Der Lasertracer kann eingerichtet sein, einem sich im Raum bewegenden Retroreflektor 124 mittels eines Laserstrahls zu folgen. Eine Messung der Abstandsänderung kann inkrementell erfolgen. Der Lasertracer kann ein inkrementelles Messsystem mit großem Blickbereich, insbesondere einem großen Schwenkbereich einer Laserstrahlrichtung, sein. Beispielsweise können zur Messung der Abstandsänderung mindestens zwei aufeinanderfolgende Messungen erforderlich sein. Der Lasertracer kann einen großen Winkelbereich abdecken. Beispielsweise kann der Laserstrahl des Lasertracers in dem großen Winkelbereich schwenkbar sein.
Der Lasertracker kann eine beliebige Messvorrichtung sein, welche eingerichtet ist interferometrisch einen Abstand und/oder eine Richtung eines Retroreflektors 124 zu bestimmen, insbesondere relativ zu Achsen, welche von einer Optomechanik des Lasertrackers definiert werden.
Der LIDAR-Sensor kann eine beliebige Vorrichtung sein, welche auf dem LIDAR („light detection and ranging“)-Messprinzip, auch LADAR (laser detection and ranging) genannt, basiert. Insbesondere kann der LIDAR-Sensor eingerichtet sein, einen Lichtstrahl 128, beispielsweise einen Laserstrahl, zu erzeugen und zu empfangen, insbesondere den zuvor von ihr ausgesendeten und zu ihr zurückreflektierten Lichtstrahl 128, und daraus einen Abstand zwischen dem LIDAR-Sensor und dem Retroreflektor 124 zu bestimmen, beispielsweise unter Ausnutzung von Unterschieden in den Rücklaufzeiten und Wellenlängen. Bevorzugt kann die Lokalisierungseinheit 126 einen FMCW-LIDAR-Sensor aufweisen. Der FMCW-LIDAR-Sensor kann eingerichtet sein, den Lichtstrahl 128 zu erzeugen, dessen Frequenz nach dem FMCW-Verfahren kontinuierlich durchgestimmt wird. Beispielsweise kann die Frequenz des Lichtstrahls 128 linear mit der Zeit moduliert sein. Eine Kombination von LIDAR-Verfahren und FMCW-Verfahren sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus Chip-scale Lidar, Benham Behroozpur Baghmisheh, Technical Report No. UCB/EECS.2017-4. Beispielsweise kann die LIDAR-Einheit wie in US 9,559,486 B2 , US 8,913,636 B2 oder US 2016/123718 A1 ausgestaltet sein. FMCW-LIDAR-Sensoren sind gegenüber Lasertracern robuster und kostengünstiger. Des Weiteren können die FMCW-LIDAR-Sensoren unempfindlich gegen sogenannte line-of-sight-Unterbrechungen sein, da es sich um absolute Messsysteme handelt. Weiterhin können hybride Systeme unter Hinzunahme modengekoppelter Laser verwendet werden.
Das gemeinsame Beleuchten mindestens eines der Retroreflektoren 124 ermöglicht festzustellen, welche scheinbaren von den Lokalisierungseinheiten 126 festgestellten Positionsänderungen des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors 124 auf Änderungen der Luftsäuleneigenschaft 110 zurückzuführen sind. Eine Änderung der Brechzahl bewirkt eine gleiche scheinbare Änderung des Abstandes eines Retroreflektors 124 zu zwei, oder mehr, in unterschiedlichen Raumrichtung liegenden Lokalisierungseinheiten 126. Diese gleiche scheinbare Änderung ist physikalisch nicht möglich, da der Retroreflektor 124 nur an einem Ort auszeichnet, so dass solche Abstandsänderungen, welche auf mehreren Lokalisierungseinheiten 126 im Gleichtakt auftreten nur auf Brechzahlschwankungen zurückgeführt werden können. Eine optische Pfadlänge zwischen der ersten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor 124 beleuchtenden, Lokalisierungseinheit 136 und dem gemeinsam beleuchteten Retroreflektor 124 kann l₁ sein und eine angenommene Brechzahl entlang der Ausbreitungsrichtung eines Beleuchtungslichtstrahls 148 kann n₁ sein. Beispielsweise kann eine optische Pfadlänge zwischen der zweiten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor 124 beleuchtenden, Lokalisierungseinheit 138 und dem gemeinsam beleuchteten Retroreflektor 124 l₂ sein und eine angenommene Brechzahl entlang der Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls 148 kann n₂ sein. Für eine konstante Brechzahl der Luftsäule 116 gilt: $d x = d l_{1} = - d l_{2} .$
Für eine variable Brechzahl der Luftsäule 116 gilt hingegen: $d n_{1} = \frac{d l_{1}}{l_{1}} \cdot n_{1} \approx \frac{d l_{1}}{l_{1}}$
und $d n_{2} = \frac{d l_{2}}{l_{2}} \cdot n_{2} \approx \frac{d l_{2}}{l_{2}} .$
Durch Auswerten der Messsignale der Lokalisierungseinheiten 126 kann eine erste Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors 124 aus einem Messsignal der ersten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor 124 beleuchtenden, Lokalisierungseinheit 136 und einer zweiten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors 124 aus einem Messsignal der zweiten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor 124 beleuchtenden, Lokalisierungseinheit 138 erfolgen, so dass für den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor 124 zwei Positionen bestimmt werden. Das Bestimmen der Luftsäuleneigenschaft 110 umfasst einen Vergleich der ersten und der zweiten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors 124. Eine im Wesentlichen identische Änderung der ersten und zweiten Position wird dabei als eine Änderung der Luftsäuleneigenschaft 110 charakterisiert. Bei einer Verwendung von extrem schnellen Lasertracern, beispielsweise mit einer Positionserfassungsrate von > 1kHz, können auch Turbulenzeinflüsse erfasst werden. Dies ist insbesondere für die Fertigungsumgebung vorteilhaft, da keine Änderung der Luftsäule für Messzwecke erforderlich wird.
Der Beleuchtungslichtstrahl 148 kann einen beliebigen Lichtstrahl 128 umfassen, welcher emittiert und/oder ausgesandt wird, um den Retroreflektor 124 zu beleuchten. Insbesondere kann es sich bei dem Beleuchtungslichtstrahl 148 um einen von einer der Lokalisierungseinheiten 126 zur Beleuchtung eines der Retroreflektoren 124 erzeugten Lichtstrahl 128 handeln. Die Lokalisierungseinheiten 126 können jeweils mindestens eine Beleuchtungseinheit aufweisen. Die Beleuchtungseinheit kann eine Lichtquelle aufweisen, insbesondere eine Laserquelle. Der Lichtstrahl 128 kann eine Lichtmenge umfassen, welche in eine bestimmte Richtung emittiert und/oder ausgesandt wird.
Ein Ausführungsbeispiel für ein optisches Navigationssystem 114 wird beispielsweise in 2 gezeigt. Das optische Navigationssystem 114 kann ein technisches System umfassen, welches eingerichtet ist zur optischen Positionsbestimmung. Das optische Navigationssystem 114 kann eingerichtet sein, um eine Kalibrierung mindestens einer Präzisionsmaschine, insbesondere eines Koordinatenmessgeräts oder einer Bearbeitungsmaschine, durchzuführen. Die optische Positionsbestimmung kann ein Bestimmen mindestens einer räumlichen Position und/oder Orientierung umfassen. Die Bestimmung der räumlichen Position und/oder der Orientierung kann in einem Koordinatensystem erfolgen, beispielsweise einem kartesischen Koordinatensystem oder einem Kugelkoordinatensystem. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann in einem Punkt des optischen Navigationssystems 114 sein. Die räumliche Position kann einen dreidimensionalen Punkt (X, Y, Z) in dem Koordinatensystem umfassen. Die räumliche Position kann durch die Ortskoordinaten X, Y und Z definiert sein. Die Orientierung kann eine Rotation des Messobjekts 120 umfassen, insbesondere eine Winkelposition. Die Orientierung kann durch mindestens drei Winkel angegeben werden, beispielsweise Eulerwinkel oder Neigungswinkel, Rollwinkel und Gierwinkel. Die räumliche Position und Orientierung kann zusammen auch als sechsdimensionale Information oder 6D-Information bezeichnet werden.
Das optische Navigationssystem 114 umfasst das mindestens eine Multilaterationssystem 122. Das Multilaterationssystem 122 umfasst mindestens drei Retroreflektoren 124 und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten 126 oder mindestens sechs Retroreflektoren 124 und mindestens drei Lokalisierungseinheiten 126. In dem Ausführungsbeispiel von 2 umfasst das Multilaterationssystem sieben Lokalisierungseinheiten. Das Multilaterationssystem 122 kann eingerichtet sein eine 6-DoF-Multilateration durchzuführen. Eine relative Position, insbesondere eine räumliche Position und/oder ein Abstand, der Retroreflektoren 124 zueinander und/oder eine relative Position, insbesondere eine räumliche Position und/oder ein Abstand der Lokalisierungseinheiten 126 zueinander, können bekannt sein. Beispielsweise können die Retroreflektoren 124 in einer Ebene in Form eines Dreiecks angeordnet sein. Die Längen der Seiten des Dreiecks können bekannt sein. Unter der Voraussetzung, dass die relative Lage der Retroreflektoren 124 zueinander bekannt ist, kann aus einer Abfolge von mit den Lokalisierungseinheiten 126 gemessenen Längenänderungen 3D-Trajektorien aller drei Retroreflektoren 124, bzw. eine 6D-Trajektorie eines Systems der Retroreflektoren 124, rekonstruiert werden.
Das Multilaterationssystem 122 kann ein selbstkalibrierendes Multilaterationssystem 122 sein. Bei einer Verwendung von drei Retroreflektoren 124 und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten 126 können die Lokalisierungseinheiten 126 und die Retroreflektoren in einer der folgenden Konfigurationen zueinander angeordnet und/oder ausgerichtet sein: zwei Lokalisierungseinheiten 126 auf einen ersten Retroreflektor 130, zwei Lokalisierungseinheiten 126 auf einen zweiten Retroreflektor 132 und zwei Lokalisierungseinheiten 126 auf einen dritten Retroreflektor 134 (zwei-zwei-zwei); vier Lokalisierungseinheiten 126 auf den ersten Retroreflektor 130, eine Lokalisierungseinheit 126 auf den zweiten Retroreflektor 132 und eine Lokalisierungseinheit 126 auf den dritten Retroreflektor 134 (vier-eins-eins); drei Lokalisierungseinheiten 126 auf den ersten Retroreflektor 130, zwei Lokalisierungseinheiten 126 auf den zweiten Retroreflektor 132 und eine Lokalisierungseinheit 126 auf den dritten Retroreflektor 134 (drei-zwei-eins).
Beispielsweise kann, wie in 2 gezeigt, das optische Navigationssystem 114 drei Retroreflektoren 124, beispielsweise den ersten Retroreflektor 130, den zweiten Retroreflektor 132 und den dritten Retroreflektor 134, aufweisen. Beispielsweise können die Retroreflektoren 124 in einer Ebene in Form eines Dreiecks angeordnet sein. Die Längen der Seiten des Dreiecks können bekannt sein. Unter der Voraussetzung, dass die relative Lage der Retroreflektoren 124 zueinander bekannt ist, kann aus einer Abfolge von mit den Lokalisierungseinheiten 126 gemessenen Längenänderungen 3D-Trajektorien aller drei Retroreflektoren 124, bzw. eine 6D-Trajektorie eines Systems der Retroreflektoren 124, rekonstruiert werden. Die Retroreflektoren 124, in 2 als Kreise dargestellt, können an einem Messobjekt 120 angeordnet sein und die Lokalisierungseinheiten 126, in 2 als Kreuze dargestellt, können im Raum angeordnet sein. Das optische Navigationssystem 114 kann in dieser Ausführungsform sieben Lokalisierungseinheiten 126 aufweisen, beispielsweise eine erste Lokalisierungseinheit 136, eine zweite Lokalisierungseinheit 138, eine dritte Lokalisierungseinheit 140, eine vierte Lokalisierungseinheit 142, eine fünfte Lokalisierungseinheit 144, eine sechste Lokalisierungseinheit 146 und eine siebte Lokalisierungseinheit 147. Die erste Lokalisierungseinheit 136, die zweite Lokalisierungseinheit 138 können auf den dritten Retroreflektor 134 ausgerichtet sein, auch als auf diesen eingelocked bezeichnet, und diesen beleuchten. Die dritte Lokalisierungseinheit 140 und die vierte Lokalisierungseinheit 142 können auf den zweiten Retroreflektor 132 ausgerichtet sein und diesen beleuchten. Der erste Retroreflektor 130 kann von der fünften Lokalisierungseinheit 144 und der sechsten Lokalisierungseinheit 146 beleuchtet sein. Dies entspricht der Konfiguration zwei-zwei-zwei. Die siebte Lokalisierungseinheit 147 kann ebenfalls den dritten Retroreflektor 134 beleuchten. Jeweils mindestens zwei Lokalisierungseinheiten 126 folgen somit dem gleichen Retroreflektor 124 und können jeweils eine Abstandsmessung zwischen Lokalisierungseinheit 126 und dem Retroreflektor 124 durchführen. Es können somit mehr Abstandsmessungen durchgeführt werden als Raumkoordinaten bestimmt werden müssen. Nach einer bestimmten Anzahl von Abstandsmessungen kann die Lage der Lokalisierungseinheiten 126 relativ zueinander bestimmt werden. Eine derartiges Multilaterationssystem 122 wird als selbstkalibrierend bezeichnet.
Die Lokalisierungseinheiten 126 sind um das Arbeitsvolumen 112 herum angeordnet oder die Retroreflektoren 124 sind um die Lokalisierungseinheiten 126 herum angeordnet. In 2 sind die Lokalisierungseinheiten 126 um das Arbeitsvolumen 112 herum angeordnet. Das Arbeitsvolumen 112 kann ein Volumen umfassen, in welchem die optische Positionsbestimmung erfolgen kann. Die Retroreflektoren 124 können gemeinsam mit den Lokalisierungseinheiten 126 das Arbeitsvolumen 112 aufspannen und/oder definieren. Das Arbeitsvolumen 112 kann von einem Messbereich des optischen Navigationsgeräts 114 bestimmt sein, also einem Bereich in dem die optische Positionsbestimmung innerhalb festgelegter Grenzen erfolgen kann. Das Arbeitsvolumen 112 kann ein 6-(Degree of Freedom) DOF-Tracking-Volumen sein. Die Retroreflektoren 124 können von außen nach innen von den Lokalisierungseinheiten 126 beleuchtet werden. Alternativ können die Lokalisierungseinheiten 126 die Retroreflektoren 124 von innen nach außen beleuchten. Die Retroreflektoren 124 können an einem Messobjekt 120 angeordnet sein und die Lokalisierungseinheiten 126 können im Raum angeordnet sein und/oder die Lokalisierungseinheiten 126 können an dem Messobjekt 120 angeordnet sein und die Retroreflektoren 124 können im Raum angeordnet sein. Die Retroreflektoren 124 können weit auseinanderliegend angeordnet sein. Die Retroreflektoren 124 können derart angeordnet sein, dass sie innerhalb des Arbeitsvolumens 112 weit auseinanderliegen. Die Lokalisierungseinheiten 126 können jeweils eine Halterung aufweisen zur Anordnung, Aufstellung und/oder Befestigung der Lokalisierungseinheiten 126. Auch die Retroreflektoren 124 können jeweils mindestens eine Halterung aufweisen zur Anordnung, Aufstellung und/oder Befestigung der Retroreflektoren 124. Das Messobjekt 120 kann ein beliebig geformtes zu vermessendes Objekt umfassen. Beispielsweise kann das Messobjekt 120 auch ein Messkopf eines Sensors oder ein Werkzeug sein, mit welchem ein Bauteil abgetastet werden kann.
Das optische Navigationssystem 114 kann, wie in 2 gezeigt, weiterhin mindestens eine Auswerteeinheit 158 aufweisen. Die Auswerteeinheit 158 ist eingerichtet, aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten 126 die Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors 124 zu bestimmen. Das Auswerten umfasst ein Bestimmen einer ersten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors 124 aus einem Messsignal einer ersten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor 124 beleuchtenden, Lokalisierungseinheit 126 und einer zweiten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors 124 aus einem Messsignal einer zweiten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor 124 beleuchtenden, Lokalisierungseinheit 126, so dass für den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor 124 zwei Positionen bestimmt werden. Das Auswerten kann ein Rekonstruieren einer 3D-Trajektorie des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors 124 umfassen. Das Auswerten kann ein durchführen eines Multilaterationsverfahrens umfassen. Die Auswerteeinheit 158 kann eingerichtet sein mindestens ein Multilaterationsverfahren zur Bestimmung der 6D-Information des beleuchteten Retroreflektors 124 durchzuführen. Die Auswerteeinheit 158 kann eine Vorrichtung umfassen, welche eingerichtet ist, einen oder mehrere Auswerteschritte durchzuführen. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit 158 mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung aufweisen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Auswerteeinheit 158 kann insbesondere als zentrale Auswerteeinheit 158 für die gesamte Messvorrichtung ausgestaltet sein. Alternativ ist jedoch auch eine dezentrale Auswerteeinheit 158 mit mehreren einzelnen, miteinander kooperierenden Bestandteilen möglich. Die Auswerteeinheit 158 kann weiterhin mindestens eine Benutzerschnittstelle aufweisen, beispielsweise mindestens eine Tastatur und/oder mindestens ein Display. Die Auswerteeinheit 158 kann eingerichtet sein, die Messsignale der Lokalisierungseinheiten 126 aufzunehmen und zu verarbeiten.
Das optische Navigationssystem 114 kann, wie in 2 gezeigt, weiterhin mindestens eine Steuereinheit 160 aufweisen. Die Steuereinheit 160 kann eingerichtet sein die Lokalisierungseinheiten 126 relativ zu den Retroreflektoren 124 auszurichten. Die Steuereinheit 160 kann eingerichtet sein eine Mehrzahl von Messpositionen anzufahren. An jeder der Messpositionen können die Luftsäuleneigenschaft 110 bestimmt werden. Die Steuereinheit 160 kann eine Vorrichtung umfassen, welche eingerichtet ist, mindestens ein Bauteil oder einen Prozess zu steuern oder zu regeln. Beispielsweise kann die Steuereinheit 160 mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung aufweisen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Steuereinheit 160 kann insbesondere als zentrale Steuereinheit 160 für die gesamte Messvorrichtung ausgestaltet sein. Alternativ ist jedoch auch eine dezentrale Steuereinheit 160 mit mehreren einzelnen, miteinander kooperierenden Bestandteilen möglich. Die Steuereinheit 160 kann weiterhin mindestens eine Benutzerschnittstelle aufweisen, beispielsweise mindestens eine Tastatur und/oder mindestens ein Display. Die Steuereinheit 160 kann eingerichtet sein, die Lokalisierungseinheiten 126 relativ zu den Retroreflektoren 124 auszurichten. Die Steuereinheit 160 kann eingerichtet sein, eine Bewegung der Lokalisierungseinheiten 124 zu steuern oder zu regeln.
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Erzeugen jeweils mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls 148 mit mindestens zwei der Lokalisierungseinheiten 126 und Beleuchten eines gemeinsamen Retroreflektors 124 oder eines Retroreflektor-Ensembles aus unterschiedlichen Raumrichtungen mit den Beleuchtungslichtstrahlen 148 der Lokalisierungseinheiten 126;
b) Empfangen jeweils mindestens eines des von dem gemeinsam beleuchteten Retroreflektor oder dem Retroreflektor-Ensemble reflektierten Lichtstrahls 128 und Erzeugen jeweils mindestens eines Messsignals mit den, den Retroreflektor 124 gemeinsam oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheiten 126;
c) Auswerten der Messsignale der Lokalisierungseinheiten 126, wobei das Auswerten ein Bestimmen einer ersten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors 124 oder des Retroreflektor-Ensembles aus einem Messsignal einer ersten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor 124 oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheit 126 und einer zweiten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors 124 oder des Retroreflektor-Ensembles aus einem Messsignal einer zweiten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor 124 oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheit 126 umfasst, so dass für den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor 124 oder das Retroreflektor-Ensemble zwei Positionen bestimmt werden;
d) Bestimmen der Luftsäuleneigenschaft 110 durch Vergleichen der ersten Position und der zweiten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors 124 oder des Retroreflektor-Ensembles, wobei eine im Wesentlichen identische Änderung der ersten Position und der zweiten Position als eine Änderung der Luftsäuleneigenschaft 110 charakterisiert wird.

3 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens, wobei Bezugszeichen 150 Verfahrensschritt a) bezeichnet, wobei Bezugszeichen 152 Verfahrensschritt b) bezeichnet, wobei Bezugszeichen 154 Verfahrensschritt c) bezeichnet und wobei Bezugszeichen 156 Verfahrensschritt d) bezeichnet. Zumindest Verfahrensschritt c) 154 und Verfahrensschritt d) 156 können computerimplementiert sein und/oder automatisch durchgeführt werden. Die Verfahrensschritte können in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden.
Das Verfahren umfasst ein Empfangen, Bezugszeichen 152, jeweils mindestens eines des von dem gemeinsam beleuchteten Retroreflektor 124 oder dem Retroreflektor-Ensemble reflektierten Lichtstrahls 128 und Erzeugen jeweils mindestens eines Messsignals mit den, den Retroreflektor 124 gemeinsam oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheiten 126. Die Lokalisierungseinheiten 126 können jeweils eingerichtet sein mindestens einen reflektierten Lichtstrahl 128 von dem von der jeweiligen Lokalisierungseinheit 126 beleuchteten Retroreflektor 124 zu empfangen und mindestens ein Messsignal in Antwort auf den reflektierten Lichtstrahl 128 zu erzeugen. Das Messsignal kann ein beliebiges, insbesondere ein elektrisches, Signal umfassen, beispielsweise eine Spannung oder ein Strom, welches gemäß dem reflektierten, empfangenen Lichtstrahl 128 oder unter Verwendung des reflektierten, empfangenen Lichtstrahls 128 erzeugt wurde. Das Verfahren umfasst ein Auswerten, Bezugszeichen 154, der Messsignale der Lokalisierungseinheiten 126. Das Auswerten kann unter Verwendung der mindestens einen Auswerteeinheit 158 erfolgen.
Das Verfahren kann ein Kompensieren und/oder Minimieren eines Einflusses der Luftsäuleneigenschaft 110 auf eine Lokalisierungsgenauigkeit des Multilaterationssystems 122 durch Kompensationsrechnung unter Berücksichtigung der bestimmten Luftsäuleneigenschaft 110 umfassen. Kompensieren und Minimieren können ein Berücksichtigen der Luftsäuleneigenschaft 110 bei der Positionsbestimmung umfassen. Beispielsweise kann die Luftsäuleneigenschaft 110 als systematischer Fehler bei der Bestimmung der Position berücksichtigt werden. Beispielsweise könnte eine zu erwartende Unsicherheit der durchgeführten Lokalisierungen angegeben werden und/oder eine geschätzte Statistik der Genauigkeit der durchgeführten Lokalisierungen. Die Auswerteeinheit 158 kann eingerichtet sein zu einem Kompensieren und/oder Minimieren eines Einflusses der Luftsäuleneigenschaft 110 auf eine Lokalisierungsgenauigkeit 126 des Multilaterationssystems 122 durch Kompensationsrechnung unter Berücksichtigung der bestimmten Luftsäuleneigenschaft 110.
In dem Verfahren kann eine Mehrzahl von Messpositionen angefahren werden. Das Verfahren kann ein Ausrichten der Lokalisierungseinheiten 126 umfassen. Das Verfahren kann ein Verändern einer relativen Position der Retroreflektoren 124 zu den Lokalisierungseinheiten 126 umfassen. An jeder der Messpositionen kann die Luftsäuleneigenschaft 110 bestimmt werden. So kann eine Verteilung der Luftsäuleneigenschaft 110 bestimmt werden.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Navigationssystems 114, insbesondere eine Anordnung eines der Retroreflektoren 124 und diesen beleuchtenden Lokalisierungseinheiten 126. Das optische Navigationssystem 114 kann Freiluftstrecken und/oder feste und/oder temperaturinvariante Interferometerstrecken umfassen. Temperaturinvariante Verbindungskonstruktionen 172 sind in 4 mit paarweise parallel verlaufenden gestrichelten Linien innerhalb des Arbeitsvolumens 112 gekennzeichnet und durchgezogene Linien kennzeichnen Freiluftstrecken. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer temperaturinvarianten Verbindungskonstruktion 172 für interferometrische Messstrecken 118 entlang von Begrenzungskanten eines Arbeitsvolumens 112. Das Arbeitsvolumen 112 ist in 4 dabei durch gestrichelte Begrenzungslinien gekennzeichnet. Die Lokalisierungseinheiten 126 und der Retroreflektor 124 sind in 4 durch eine temperaturinvariante Verbindungkonstruktion 172 miteinander verbunden, wobei die Messstrecken 118 als Freiluftstrecken ausgeführt sind.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Navigationssystems 114, insbesondere eine Anordnung eines der Retroreflektoren 124 und diesen beleuchtenden Lokalisierungseinheiten 126. Temperaturinvariante Verbindungskonstruktionen 172 sind in 5 mit paarweise parallel verlaufenden gestrichelten Linien innerhalb des Arbeitsvolumens 112 gekennzeichnet und durchgezogene Linien kennzeichnen Freiluftstrecken. Das optische Navigationssystem 114 kann mindestens eine Umgebungsparametererfassungseinheit 162 umfassen, welche eingerichtet ist, um mindestens einen Umgebungsparameter zu erfassen. Die Umgebungsparametererfassungseinheit 162 kann mindestens einen Sensor 164 zur Erfassung eines Umgebungsparameters aufweisen. Die Umgebungsparameter können beispielsweise Temperatur, Luftdruck und/oder Luftfeuchtigkeit in dem Arbeitsvolumen 112 umfassen. Der Sensor 164 kann ein Temperatursensor 166 und/oder ein Drucksensor 168 und/oder ein Feuchtesensor 170 sein. Entlang der Messstrecken 118 sind Umgebungsparametererfassungseinheiten 162 gezeigt. Ti mit i =1 bis 6 bezieht sich auf die gemessene Temperatur des i-ten Temperatursensors 166, Pi mit i =1 bis 6 auf den gemessenen Druck des jeweiligen Drucksensors 168 und Hi mit i =1 bis 6 auf die gemessene Feuchtigkeit des jeweiligen Feuchtesensors 170.
Die Überbestimmung innerhalb des Multilaterationssystems 122, mit welchem eine Vielzahl von Messpostionien angefahren wurde, kann genutzt werden, um unter Einbezug der Daten von über temperaturinvariant ausgeführte interferometrische Messstrecken 172 verteilten Temperatursensoren 166, Drucksensoren 168 und Feuchtesensoren 170 die Edlen-Gleichung zu lösen, so dass eine genäherte Brechzahlverteilung für das Arbeitsvolumen 112 des Multilaterationssystems 122 ermittelt werden kann. Diese kann eingesetzt werden, um den Fehlereinfluss von Änderungen der Luftsäuleneigenschaften 110 auf die Lokalisierungsgenauigkeit des Multilaterationssystems 122 durch Kompensationsrechnung zu minimieren.
Bezugszeichenliste

110: Luftsäuleneingenschaft
112: Arbeitsvolumen
114: Optisches Navigationssystem
116: Luftsäule
118: Messstrecke
120: Messobjekt
122: Multilaterationssystem
124: Retroreflektor
126: Lokalisierungseinheit
128: Lichtstrahl
130: Erster Retroreflektor
132: Zweiter Retroreflektor
134: Dritter Retroreflektor
136: Erste Lokalisierungseinheit
138: Zweite Lokalisierungseinheit
140: Dritte Lokalisierungseinheit
142: Vierte Lokalisierungseinheit
144: Fünfte Lokalisierungseinheit
146: Sechste Lokalisierungseinheit
147: Siebte Lokalisierungseinheit
148: Beleuchtungslichtstrahl
150: Verfahrensschritt a)
125: Verfahrensschritt b)
154: Verfahrensschritt c)
156: Verfahrensschritt d)
158: Auswerteeinheit
160: Steuereinheit
162: Umgebungsparametererfassungseinheit
164: Sensor
166: Temperatursensor
168: Drucksensor
170: Feuchtesensor
172: Temperaturinvariante Verbindungskonstruktion

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2011/0007326 A1 [0015, 0066]
US 2013/0050410 A1 [0015, 0066]
US 2017/0258531 A1 [0015, 0066]
US 9559486 B2 [0020, 0071]
US 8913636 B2 [0020, 0071]
US 2016123718 A1 [0020, 0071]

Claims

Verfahren zum Bestimmen von einer Änderung mindestens einer Luftsäuleneigenschaft (110) in mindestens einem Arbeitsvolumen (112) eines optischen Navigationssystems (114), wobei das optische Navigationssystem (114) mindestens ein Multilaterationssystem (122) umfassend mindestens drei Retroreflektoren (124) und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten (126) oder mindestens sechs Retroreflektoren (124) und mindestens drei Lokalisierungseinheiten (126) aufweist, wobei die Lokalisierungseinheiten (126) um das Arbeitsvolumen (112) herum angeordnet sind oder die Retroreflektoren (124) um die Lokalisierungseinheiten (126) herum angeordnet sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Erzeugen jeweils mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls (148) mit mindestens zwei der Lokalisierungseinheiten (126) und Beleuchten eines gemeinsamen Retroreflektors (124) oder eines Retroreflektor-Ensembles aus unterschiedlichen Raumrichtungen mit den Beleuchtungslichtstrahlen (148) der Lokalisierungseinheiten (126); b) Empfangen jeweils mindestens eines des von dem gemeinsam beleuchteten Retroreflektor (124) oder des Retroreflektor-Ensembles reflektierten Lichtstrahls (128) und Erzeugen jeweils mindestens eines Messsignals mit den, den Retroreflektor (124) gemeinsam oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheiten (126); c) Auswerten der Messsignale der Lokalisierungseinheiten (126), wobei das Auswerten ein Bestimmen einer ersten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors (124) oder des Retroreflektor-Ensembles aus einem Messsignal einer ersten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor (124) oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheit (126) und einer zweiten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors (124) oder des Retroreflektor-Ensembles aus einem Messsignal einer zweiten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor (124) oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheit (126) umfasst, so dass für den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor (124) oder das Retroreflektor-Ensemble zwei Positionen bestimmt werden; d) Bestimmen der Luftsäuleneigenschaft (110) durch Vergleichen der ersten Position und der zweiten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors (124) oder des Retroreflektor-Ensembles, wobei eine im Wesentlichen identische Änderung der ersten Position und der zweiten Position als eine Änderung der Luftsäuleneigenschaft (110) charakterisiert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Verfahren ein Kompensieren und/oder Minimieren eines Einflusses der Luftsäuleneigenschaft (110) auf eine Lokalisierungsgenauigkeit des Multilaterationssystems (122) durch Kompensationsrechnung unter Berücksichtigung der bestimmten Luftsäuleneigenschaft (110) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Lokalisierungseinheiten (126) mindestens eine auf Laufzeit- und/oder Interferometrie-Messprinzipien basierende Sensorik aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Luftsäuleneigenschaft (110) mindestens eine Eigenschaft umfasst ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Brechzahl; einer Brechzahlverteilung im Arbeitsvolumen (112); einer Brechzahlschwankung; und einer Turbulenz.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ein Erfassen mindestens eines Umgebungsparameters mit mindestens einer Umgebungsparametererfassungseinheit (162) umfasst, wobei die Umgebungsparametererfassungseinheit (162) mindestens einen Sensor (164) zur Erfassung eines Umgebungsparameters aufweist, wobei der Sensor (164) ein Temperatursensor (166) und/oder ein Drucksensor (168) und/oder ein Feuchtesensor (170) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Multilatertionssystem (122) feste und/oder temperaturinvariante Interferometerstrecken aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Verfahren eine Mehrzahl von Messpositionen angefahren wird, wobei das Verfahren ein Verändern einer relativen Position der Retroreflektoren (124) zu den Lokalisierungseinheiten (126) umfasst, wobei an jeder der Messpositionen die Luftsäuleneigenschaft (110) bestimmt wird.
Optisches Navigationssystem (114), wobei das optische Navigationssystem (114) mindestens ein Multilaterationssystem (122) aufweist, wobei das Multilaterationssystem (122) mindestens drei Retroreflektoren (124) und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten (126) oder mindestens sechs Retroreflektoren (124) und mindestens drei Lokalisierungseinheiten (126) umfasst, wobei die Lokalisierungseinheiten (126) um das Arbeitsvolumen (112) herum angeordnet sind oder die Retroreflektoren (124) um die Lokalisierungseinheiten (126) herum angeordnet sind, wobei mindestens zwei der Lokalisierungseinheiten (126) eingerichtet sind jeweils mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl (148) zu erzeugen und einen gemeinsamen Retroreflektor (124) oder ein Retroreflektor-Ensemble aus unterschiedlichen Raumrichtungen zu beleuchten, wobei die den Retroreflektor (124) gemeinsam oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheiten (126) eingerichtet sind jeweils mindestens einen des von dem gemeinsam beleuchteten Retroreflektor (124) oder dem Retroreflektor-Ensemble reflektierten Lichtstrahl (128) zu empfangen und jeweils mindestens ein Messsignal zu erzeugen, wobei das optische Navigationssystem (114) mindestens eine Auswerteeinheit (158) auf weist, wobei die Auswerteeinheit (158) eingerichtet ist, um die Messsignale der Lokalisierungseinheiten (126) auszuwerten, wobei das Auswerten ein Bestimmen einer ersten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors (124) oder des Retroreflektor-Ensembles aus einem Messsignal einer ersten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor (124) oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheit (126) und einer zweiten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors (124) oder des Retroreflektor-Ensembles aus einem Messsignal einer zweiten, den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor (124) oder das Retroreflektor-Ensemble beleuchtenden, Lokalisierungseinheit (126) umfasst, so dass für den gemeinsam beleuchteten Retroreflektor (124) oder das Retroreflektor-Ensemble zwei Positionen bestimmt werden, wobei die Auswerteeinheit (158) eingerichtet ist, um die Luftsäuleneigenschaft (110) durch Vergleichen der ersten Position und der zweiten Position des gemeinsam beleuchteten Retroreflektors (124) oder das Retroreflektor-Ensemble zu bestimmen, wobei eine im Wesentlichen identische Änderung der ersten Position und der zweiten Position als eine Änderung der Luftsäuleneigenschaft (110) charakterisiert wird.
Optisches Navigationssystem (114) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das optische Navigationssystem (114) eingerichtet ist ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um ein Verfahren nach einem der vorhergehenden, ein Verfahren betreffenden, Ansprüche, insbesondere mindestens Schritte c) und d) des Verfahrens, durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Computer-Netzwerk ausgeführt wird.