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Konzeption und Umsetzung eines neuartigen Orientierungssystems.

Konzeption und Umsetzung eines neuartigen Orientierungssystems.
Typ:Diplomarbeit
Datum:2007
Betreuer:

Aufgabensteller:
Prof. Dr.-Ing. M. Hennes
Betreuer:
Dipl.-Ing. P. Runge

Bearbeiter:Wöllner, J.
Zusatzfeld:

IBNr: 903

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Ein 6DOF-Orientierungssystem ermöglicht neben der Erfassung der translatorischen Position eines Objektes auch die Erfassung seiner Orientierung, beispielsweise anhand von Raumwinkeln. Die neuartige Idee zur Bestimmung der Orientierung ist patentiert und führt zu einem trackingfähigen optischen Messsystem (TOM). TOM bestimmt die 6DOF-Parameter eines beliebigen Objekts und ermöglicht so beispielsweise die Bestimmung der äußeren Orientierung eines frei geführten Scanners mit beschränktem Messbereich oder einer Roboterhand. Ziel dieser Arbeit war es, eine Vorstufe dieses System zu konzipieren und auf seine Funktion und Leistung zu untersuchen.

Systemaufbau

Abb. 1: Systemaufbau

Erklärung zu Abbildung 1:

TOM in Kombination mit beliebig positioniertem Laserscanner,

  1. Lasertracker
  2. Rotor, bei Drehung ergibt sich das Bild einer Scheibe. Die Rotationsrichtung ist eingetragen.
  3. Reflektor (CCR) ist am Ende des Flügels befestigt.
  4. Auslegearm; an diesem Arm wird das Orientierungssystem befestigt. Dieser Arm dient als mechanische Schnittstelle, um andere Geräte mit TOM zu verbinden. Der Arm kann mehrere Gelenke haben und somit den Arbeitsbereich von TOM erweitern.
  5. Laserscanner: können eingesetzt werden, um 3D-Freiformflächen zu erfassen.
  6. Messbereich des Laserscanners; bei Laserscannern mit hohen Genauigkeitsanforderungen ist der Arbeitsbereich oft eingeschränkt. Um ein Objekt aufzunehmen, müssen oft mehrere Bilder gemacht werden. Um die Bilder zusammenzufügen, müssten ohne TOM Passpunkte in der Aufnahme gesetzt werden. Mit TOM würde die aufwändige Passpunktsuche und -befestigung entfallen.

 

TOM enthält einen Rotor, an dem ein Reflektor befestigt ist. Die Achse wird von einem Gleichstrommotor angetrieben. Der Reflektor beschreibt einen räumlichen Kreis, dieser wird mit einem Lasertracker erfasst und ausgewertet. Abbildung 2 (Rechtshändiges Koordinatensystem von TOM. Die x-Achse zeigt in Richtung Tracker, die z-Achse nach oben und die y-Achse steht rechtwinklig zu beiden Achsen) zeigt die sechs Freiheitsgrade von TOM, die fest mit dem zu trackenden Objekt verknüpft sind. Der Kreismittelpunkt stellt die Position des zu vermessenden Objektes dar. Mithilfe des Normalenvektors der Drehebene können zwei der drei Raumwinkel bestimmt werden. Um den sechsten Freiheitsgrad zu bestimmen, wurden in der Arbeit folgende drei Varianten diskutiert: a) Verschwenken des Orientierungssystems, b) Anhalten der Scheibe und c) zeitreferenziertes Messen.

Rechtshändiges Koordinatensystem von TOM

Abb. 2: Rechtshändiges Koordinatensystem von TOM

Vorteile der zeitreferenzierten Methode sind, dass die Halterung der Scheibe nicht bewegt werden muss und die Scheibe gleichmäßig weiter rotieren kann. Deswegen wurde diese Variante in der Arbeit umgesetzt und näher betrachtet. Bei dieser Methode werden eine bestimmte Anzahl von Messsignalen, sogenannten Triggersignalen, an den Tracker gesendet. Mit einem ersten Funktionsmodell wurde Folgendes untersucht: Verhalten der Genauigkeiten der Ergebnisse in Abhängigkeit der Entfernung, der Scheibenausrichtung zum Tracker sowie verschiedener Drehgeschwindigkeiten der Scheibe.

Bei der Untersuchung der vier gewählten Drehgeschwindigkeiten konnte ein Effekt der Umlaufszeitvariationen (erhebliche Geschwindigkeitsabweichung von der Sollgeschwindigkeit) entdeckt werden (in Abbildung 3 ist die Umlaufzeit in Bezug auf dieselbe Winkelstellung beim vorgehenden Umlauf gelb dargestellt). Abbildung 3: Standardabweichungen, des Horizontal- (blau) und des Vertikalwinkels (rot) des Trackers, aus mehreren Umdrehungen zu jeder getriggerten Position. In Gelb: die berechnete mittlere Geschwindigkeit mehrerer Umdrehungen für jedes einzelne Triggersignal.

Standardabweichungen der Winkelmessungen des Lasertrackers (rot und blau) und mittlere Umlaufzeit (gelb)

Abb. 3: Standardabweichungen der Winkelmessungen des Lasertrackers (rot und blau) und mittlere Umlaufzeit (gelb)

Zur Analyse der mit dem Funktionsmuster bestimmbaren 6DOF-Parameter wurde in der Matlab®-Umgebung eine Software mit grafischer Oberfläche entwickelt. Die Software basiert auf dem Gauß-Helmert-Modell und einer Regressionsebene und kann nahezu als Echtzeitanwendung eingesetzt werden, da eine gleichzeitige Messung und Verarbeitung des letzten vollständigen Datensatzes möglich ist. So lassen sich quasi online die Spezifikationen von TOM bestimmen und optimieren. Für alle Messergebnisse wurden Messunsicherheiten nach dem Leitfaden „Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement“ (GUM) bestimmt, um alle Umgebungsparameter der Messung zu modellieren.

 

Ergebnisse dieser Arbeit sind: Der Kreismittelpunkt (3D-Position) kann mit TOM mit einer Unsicherheit von 3.4 µm ermittelt werden. Die Messunsicherheit ist allerdings abhängig von der Entfernung und der Drehgeschwindigkeit (Abbildung 4: Standardabweichungen der Mittelpunktskoordinate von TOM in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit und der Entfernung der Scheibe). Für den Neigungs- und den Gierwinkel wurden mithilfe des Normalenvektors eine Genauigkeit von 0.15*10^(-3) ° = 2.6 µm/m ermittelt. Der Rollwinkel wurde mit dem Neigungsmessgerät NIVEL überprüft; hier konnte eine Genauigkeit von 3.4*10^(-3) ° =59.3 µm/m nachgewiesen werden.

Standardabweichungen der Mittelpunktskoordinate von TOM

Abb. 4: Standardabweichungen der Mittelpunktskoordinate von TOM

In zukünftigen Gerätegenerationen von TOM mit verbesserten Auswertestrategien, einer optimierteren Hardware sowie weiteren Kenntnissen über das Trackersystem lassen sich verbesserte Ergebnisse erzielen. Das Ziel weiterer Untersuchungen muss sein, aus dem Orientierungssystem TOM eine mobile Koordinatenmessmaschine zu konstruieren, die den herkömmlichen KMMs in Bezug auf die Positionsbestimmung in Nichts nachsteht und zusätzlich die Orientierung der Raumobjekte liefert.