WO2002035904A2 - Method and device for determining the position, orientation and/or deformation of an object - Google Patents

Method and device for determining the position, orientation and/or deformation of an object Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining the position, orientation and / or deformation of an object. D
  • Document EP 0 704 715 AI shows, for example, a portable system for determining the initial trajectory of a golf ball, basketball, soccer ball, etc.
  • several reflective or high-contrast area markings are applied to the D object. These area markings are recorded by one or two cameras by opening a camera aperture synchronously with the emission of a flash light. The camera thus records a light pattern of all visible surface markings in the form of snapshots.
  • the position and orientation of the golf ball is then determined from the two-dimensional camera data of the surface markings and calibration data obtained.
  • the calibration data are recorded before the system is started up by recording 20 Fl - chenmarkonne an object whose position and orientation 'is known, and the focal length, orientation and position of the camera determined.
  • the camera only records the light pattern originating from, for example, 6 markings, which thus shows 6 light spots which are indistinguishable from one another.
  • the evaluation electronics must assign the associated marking on the golf ball to each recorded light spot (for example by analyzing the previously recorded light pattern and a movement prediction). This is possible as long as the light spots shift only slightly from shot to shot on the camera recording surface (if the period between the shots is too long, such an assignment is no longer clearly possible) and the degree of freedom of movement of the object, particularly with regard to a deformation of the - same, not too big.
  • the invention is based on the object of further developing the method known from the prior art and the associated device in such a way that the determination of position, orientation and / or deformation becomes clear, in particular independently of the recording speed and the degree of freedom of movement ,
  • a method for determining the position, orientation and / or deformation of an object in which electromagnetic signals are emitted by one or more signal transmitters arranged on the object, the signal transmitters being controlled in such a way that the individual signals from one another are distinguishable, these signals are projected onto at least one two-dimensional position detector and converted there into two-dimensional position coordinates, and the position, orientation and / or deformation of the (moving) object is determined from the position coordinates.
  • the determination of position, orientation and / or deformation with the additional one is advantageous Labeling of each signal is easier, firstly, since no corresponding mathematical identification procedures are required, and secondly, clearly (see above).
  • the signal transmitters can emit light signals at different frequencies, the position detector or a detector additionally arranged at the position detector being able to identify the respective frequencies.
  • several position detectors one position detector for each frequency, can be used, which, for example, have filters in front of their receiving surface and thus work frequency-selectively. This simple identification is possible for the first time since, in contrast to the prior art described above, actively illuminating signal transmitters are used instead of passive reflectors in the invention.
  • a certain minimum number of signal transmitters provided on the object is required.
  • signal transmitters can be grouped together and attached to the object at different locations. In particular, such groups are attached to locations on the object that can move to other locations on the object. If the object comprises, for example, a swivel joint, a group of signal transmitters can be rigidly attached to a swivel arm of the swivel joint, each group comprising a specific number of signal transmitters depending on the degrees of freedom of translation and rotation of the respective swivel arm.
  • the transmission of the signals is preferably controlled by the signal transmitters in such a way that the signals arrive at the position detector one after the other in corresponding time windows.
  • a frequency-resolving position detector does not necessarily have to be used, since with a corresponding control circuit in the signal transmitters and a corresponding evaluation circuit in the position detector (which are synchronized with one another) it is clear at all times which signal transmitter has sent.
  • a so-called PSD detector position sensitive detector
  • two signal transmitters can also transmit their signals at the same time, provided the signal transmitters are located on two opposite sides of an object and the position detector thus receives only one of the two signals at any time depending on the orientation of the object.
  • Additional information for identifying the transmitted signal is preferably transmitted together with each signal. This can be the frequency of the signal already mentioned above. Alternatively, the additional information is preferably contained as coding in each signal. The additional information can particularly preferably be modulated onto the respective signal. The modulation can be frequency, phase or amplitude modulation. This additional information can be used in addition or as an alternative to the measure of sending the signals in fixed time windows. The former increases identification security.
  • the position detector is capable of doing so due to its processing speed, the coded or modulated additional information can preferably be directly decoded or demodulated by the position detector. This eliminates the need for an additional reception unit. However, if the frequency with which the individual signals are transmitted successively in time is increased further (in order, for example, to achieve a finer position resolution even at high object speeds), it may be necessary to receive the additional information preferably from a separate receiving unit. The position detector then deals only with the output of the two-dimensional position coordinates of the incoming signals.
  • the additional information is preferably transmitted by a separate additional information transmitter, which is attached to the object, for example.
  • a control circuit can be provided on the object, which controls the transmission of the individual signal transmitters.
  • the control signal used for this purpose is then also sent to a corresponding one via the additional information transmitter Transmit evaluation circuit coupled additional information receiving unit, in particular wireless, for example by radio, ultrasound or optical.
  • the position of the moving object in the form of the three orthogonal coordinates in space and the orientation in the form of the three orthogonal angles of rotation in space are preferably determined, at least seven signal transmitters being used for this purpose. So it is already possible with a position detector and seven signal transmitters, which are arranged so rigidly on a rigid object that the position detector can receive its signals in any position and orientation of the object, the position and orientation in all three translational and three To determine degrees of rotational freedom. If the object is not rigid in itself, but can be deformed, for example, via joints, the deformation of the object can also be determined by means of correspondingly arranged signal transmitters.
  • more than seven signal transmitters are preferably used, which are arranged on the object such that seven signals from seven different signal transmitters are always imaged on the two-dimensional position detector in every possible position and orientation of the object.
  • the electromagnetic signals are preferably infrared light signals, which firstly have a good directivity and secondly are not so disturbed by the ambient light.
  • 1 shows a schematic view of the arrangement of four signal transmitters attached to an object and a position detector with optics, i
  • FIG. 2 shows a schematic view of a first example in which two position detectors PSD1 and PSD2 and a single signal transmitter L attached to the object are used;
  • FIG. 3 ' shows a second example in a schematic view in which one position detector PSD and two are attached to the object Signal generators L1 and L2 are used,
  • Figure 4 in a schematic view, the second example in which a position detector PSD and two at the
  • FIGS. 6a, b, c schematically show the position and orientation of an object in three views in the xyz, xz and yz planes , whose position is determined with a position detector and seven signal transmitters attached to the object.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an arrangement of four signal transmitters A to C and M which are attached to an object (not shown), for example a golf club head, and which are in a fixed position relative to one another. If the signal transmitters are movable relative to one another, the exact position of the signal transmitters relative to one another should always be known for the subsequent evaluation at each evaluation time.
  • the signal generators A to C and M are attached to a tripod forming a signal generator unit, with the three signal generators A to C at the leg ends and the signal generator M in the center.
  • These signal transmitters A to C and M can also be attached to the object at any positions of a rigid object, ie without the tripod, or via an arbitrarily shaped frame, ie differently than the tripod.
  • tripods each with four signal transmitters A to C and M, can be attached to different positions of an object, so that either different movements of an object, for example the head, shoulder, hip, arm, hand, golf club, and / or leg movement of a golfer, or the movement of a part of a __- larger object can be tracked from several sides.
  • an object for example the head, shoulder, hip, arm, hand, golf club, and / or leg movement of a golfer
  • the movement of a part of a __- larger object can be tracked from several sides.
  • the object movement can also be tracked even when the object is rotated by 180 °, ie the front and rear are interchanged with respect to an observation point of view.
  • the object movement can of course also be tracked by two opposite position detectors (behind and in front of the object) regardless of the position and orientation of the object. It therefore depends entirely on the design of the object where the individual tripods or signal transmitters or the individual position detectors must be arranged in order to be able to reliably determine all object movements.
  • the signal generators A to C and M can, for example, be simple light-emitting diodes which emit isotropically in a half-space, in particular infrared light-emitting diodes.
  • All types of signal transmitters are suitable which can emit an electromagnetic, acoustic or optical signal, provided that a corresponding position detector can use the incoming signal to indicate the direction from which the signal was emitted.
  • FIG. 1 shows the sensitive recording area of such a two-dimensionally resolving position detector 1.
  • the infrared light beam emitted by the individual infrared light-emitting diodes as signal generators A to C and M is projected onto this receiving surface via a projection lens 2.
  • the position detector PSD is preferably a PSD detector (position sensitive detector) which directly outputs the x and y coordinates of the pixels B A to B c and B M of the respective signals of the signal generators A to C and M as position coordinates.
  • the advantage of this position detector is that the center of gravity of a striking light spot is already determined inside the detector and only the x and y coordinates of the center of gravity are output.
  • such a cost-effective position detector which is highly accurate in resolution, can only determine the center of gravity coordinates of one output a single light spot or a more complicated light pattern, but this is completely sufficient in this case for the reasons discussed below.
  • the optical signals of the individual signal generators A to C and M are thus emitted one after the other in time.
  • the transmission can take place in a periodically repeating sequence of predefined time windows. After a period in which all signal transmitters have emitted their signals one after the other, there can be a brief pause to indicate the start of a new period.
  • a corresponding control circuit can be provided in the signal transmitters A to C and M, which is synchronized from time to time with a corresponding evaluation circuit downstream of the position detector (for example, only at the beginning of the position determination).
  • an optical transmitter unit can also be used on the position detector, which the individual signal generators A to C and M and / or signal generator units controls and determines which signal generators A to C and M and / or signal generator units are allowed to send at what time.
  • one or more optical receiving units and a logic circuit are provided on each signal generator A to C and M or on each signal generator unit, which decides whether, how and when transmission may take place.
  • the signaling devices A to C and M can also be communicated or synchronized via radio, ultrasound, etc.
  • the logic circuit of the associated signal transmitter unit can generate the individual transmission windows for their respective signal transmitters A to C and M.
  • the information about the sequence of the transmission windows is either known in the evaluation circuit downstream of the position detector or else it is sent back by the logic circuit to a corresponding receiving unit in the position detector and then made available to the evaluation circuit. If it becomes necessary to distinguish the individual optical signals from one another in addition or as an alternative to the transmission in predetermined time windows, the signals can be identified accordingly.
  • the optical signals are modulated or coded differently, for example.
  • the position detector itself could demodulate or decode the optical signals in order to identify them.
  • an optical receiver unit e.g. an infrared receiver
  • the demodulated or decoded signal of the optical receiving unit together with the essentially simultaneously output position signal (x and y coordinates) represents the information which signal generator A to C or M has just sent.
  • one or more position detectors can be used to evaluate the optical signals sent by the signal generators A to C and M. With two position detectors at a known distance from one another, a three-dimensional determination of the object coordinates can be made possible. Due to various restrictions on the freedom of movement of the object, special cases arise which simplify the subsequent position calculations. These special cases are described below using a specific example. Finally, an example is given for the general case, in which both the position (spatial coordinates) and the rotations of the axes of an otherwise rigid object can be calculated.
  • FIG. 2 shows a first special example in which two position detectors PSD1 and PSD2 and a single signal generator L attached to the object are used. With this constellation, the spatial coordinates of the object can be calculated, but no twists of the object. It is assumed that the distance between the position detectors PSD1 and PSD2 is known. To determine the position of the object, the two x and y coordinates of the pixels of the signal generator L which are imaged on the two position detectors PSD1 and PSD2 are read out and fed to an evaluation circuit. If the orientation and position of the two position detectors PSD 1 and PSD2 and the focal length of the two (not shown) projection lenses in front of the position detectors PSD1 and PSD2 are known, the directions of the incoming light beams can be derived from these coordinates. The intersection of the two directions gives the 3D coordinates of the object.
  • the successive emission of light signals from the signal generator L can trigger, for example, the evaluation clock of the evaluation circuit.
  • the resolution of the position determination becomes more precise.
  • the object includes, for example, an integrated speed or acceleration meter, the transmission frequency can be set depending on the measured speed or acceleration. According to the invention, a distinction is thus also made between the individual light signals emitted by the one signal transmitter L.
  • An example of an application for this simple structure would be the measurement of the head movement of a golfer when head turns are no longer to be determined.
  • FIG. 3 shows a second specific example in which a position detector PSD and two signal transmitters L1 and L2 attached to the object are used. Furthermore, it is assumed that the object is only in one plane parallel to the position detector PSD can move and the distance of this level to the position detector PSD is known. In addition, only a rotation of the object in this plane should be allowed, ie the two signal generators L1 and L2 also always remain in the plane. With this constellation, the coordinates of the object in the parallel plane and the one angle of rotation can be calculated. The two directions of the incoming light beams can be derived from the signal transmitter L1 and the signal transmitter L2, respectively, from the x and y coordinates of the two image points mapped onto the position detector PSD in chronological order.
  • An example of an application for this constellation is the leg movement of a golfer along a parallel plane.
  • a further degree of freedom of movement can be determined under the following assumption: on the one hand the object should be able to rotate and move in a parallel plane and on the other hand the parallel plane should be able to move in depth.
  • the distance between the two signal generators L1 and L2 is again known. With this constellation, the distance from the parallel plane to the position detector PSD and the angle of rotation and the position of the object within the parallel plane are calculated. From the knowledge that the signal transmitters L1 and L2 are located in a parallel plane to the position detector PSD, and from a determination of the distance of the pixels of the two signal transmitters L1 and L2 from one another, the distance g of the parallel plane to the position detector PSD can be determined as follows:
  • L 2 ⁇ X g e (1) B 2 - B 2 where L 2 -L ⁇ is the known distance between the two signal generators Ll and L2, B 2 -B- L is the calculable distance between the two pixels of the two signal generators Ll and L2 and e is the focal length of the projection lens.
  • Figure 4 illustrates the above situation.
  • the two directions of the incoming light beams can be determined by the signal transmitters L1 and L2 from the x and y coordinates of the two image points imaged on the position detector PSD and finally the position from the determined directions and the distance of the object in the parallel plane and the angle of rotation can be calculated.
  • An application example for this constellation is the determination of the forward and backward movement of the head of a golfer along a line perpendicular to the position detector and a lateral movement and rotation of the head in the parallel plane.
  • FIGS. 5a and 5b show in two views in the yz and xz planes the position and orientation of an object, the position of which is to be determined using a position detector PSD and three signal transmitters A, B and C attached to the object, and the corresponding ones three pixels on the position detector.
  • the position of the object in space is to be determined, while the rotations of the object are only restricted to one rotation in the yz plane.
  • the three signal generators A to C are arranged at right angles to one another, ie they are located at the corners of a right-angled triangle with the signal generator B at the corner with the right angle.
  • the distances AB and CB of the signal generators A to C have the length a / 2 and - as I said - are orthogonal to each other. From this knowledge, the distances g A , gs and gc of the signal transmitter from the projection lens and the angle of rotation ⁇ in the yz plane can be determined as follows:
  • gA the distance of the signal generator A from the projection lens
  • e is the focal length of the projection lens (or the distance from the projection lens to the receiving surface of the position detector PSD).
  • the y coordinates G By and Gc y of the signal generators B and C and the x and y coordinates B Bx , B x and B By , B Cy are the pixels of the signal generators B and C drawn.
  • the angle of rotation ⁇ can - as can easily be seen from FIG. 5a - be determined from the difference distances g A -g B or. Derive g B -gc:
  • the angle of rotation ⁇ can also be obtained from the ratio of the difference distances and the mapping equations as follows:
  • the distance of the signal generator B from the projection lens (and thus the object position) can also be written as follows:
  • An example of an application would be to determine the back and forth movement of a golfer's back along a line with an additional twist in that direction.
  • FIGS. 6a, b and c show in three views in the xyz, xz and yz planes the position and orientation of an object, the position of which is to be determined using a position detector PSD and seven signal transmitters A to G attached to the object , In this general example, the position of the object in space and all three angles of rotation in space are to be determined.
  • the geometric arrangement of the 7 signal generators A to G is shown in FIG. 6a.
  • the signal generators A to G are arranged in such a way that the lines BA, BC, BE and BG have the length a / 2 and the lines BD and BF the length v3 / 4.
  • the coordinate system is also selected so that the locations of all signal generators are initially located directly on the coordinate axes x, y and z.
  • the signal generators A and C are thus on the x axis, the signal generators D and F on the y axis and the signal generators E and G on the z axis and the signal generator B in the center of the coordinate axes.
  • This geometric arrangement of the seven signal generators A to G can be shifted and rotated in the Cartesian coordinate system.
  • the signal generator B is shifted in the center of the arrangement by the coordinates G Bx , G By and G Bz compared to the initial coordinate system.
  • the angle ⁇ l describes a rotation about the y-axis, the angle ⁇ 2 one
  • the pixels A to G as images of the seven signal generators A to G on the position detector PSD have the following coordinates:
  • the coordinates of the signal generator A and C to G in space can depend on the coordinates of the signal generator B and the three
  • Angle of rotation ⁇ l, ⁇ 2 and ⁇ 3 can be represented as follows:
  • G Ax G Bx - sin ( ⁇ 2 ) • sin ( ⁇ ) • sin () + - cos ( ⁇ ) • cos () a
  • G Az G Bz - sin ( ⁇ 2 ) • sin ( ⁇ ) • cos () - - cos () • sin ()
  • G a G BZ + 2 ⁇ sin (,) • sin ( ⁇ 3 ) • cos () + - ⁇ cos ( ⁇ ) • sin ()
  • G 'Dnz, GJ B B z r - a ⁇ - sin (,) • cos ( ⁇ 3 ) ⁇ cos () + aJ— sin (,) • sin ()
  • G a G B, - 2 cos () • cos ()
  • G Z G BZ + a ⁇ sin ( ⁇ 2) • ⁇ s ( ⁇ k) • cos () - a - sin ( ⁇ ) • sin ()
  • G G2 G B ⁇ + -cos ( ⁇ 2 ) - cos ( ⁇ )
  • the coordinates of the points A, B, C, D, E, F and G in space can be calculated from the calculated angles of rotation ⁇ l, ⁇ 2 and ⁇ 3 and the distance g B using equations (9) to (14).
  • a reference point can be defined for this, which has the following coordinates.
  • the coordinates of points B, C, D, E, F and G are calculated analogously. From the specific positions of, for example, a swinging golf club and the known position of a golf ball to be hit, it is then possible, for example, to first determine the golf club's swing path, then the exact meeting point of the golf ball (hook, slice, draw, etc.) and the speed of the hit and finally that Calculate the trajectory of the golf ball. For example, this can be displayed in large format on a screen in front of the golfer together with the golf course, so that overall a complete, absolutely realistic golf simulation is possible.
  • This object relates to a method, a device for determining the position, orientation and / or deformation of an object, in which electromagnetic signals are emitted by one or more signal transmitters coupled to the object, these signals are projected onto one or more position detectors with two-dimensional resolution and there into two-dimensional ones Position coordinates are converted, and the position, orientation and / or deformation of the moving object is determined from the position coordinates using simple mapping laws.

Abstract

The invention relates to a device and method for determining the position, orientation and/or deformation of an object whereby electromagnetic signals are emitted from one or more signal transmitters (A-G, M) arranged on an object. According to the invention, the signal transmitters (A-G, M) are controlled in such a way that the individual signals are different from each other. Said signals are projected onto at least one two-dimensional resolution position detector (PSD) and there they are converted into two-dimensional positioning co-ordinates. The position, orientation and/or deformation of an object is determined from the positioning co-ordinates.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Position, Orientierung und/oder Verformung eines Objektes Method and device for determining the position, orientation and / or deformation of an object
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position, Orientierung und/oder Verformung eines Objektes . DThe invention relates to a method and a device for determining the position, orientation and / or deformation of an object. D
Oftmals ist es wünschenswert die Flugbahn und genaue Bewegung eines Objektes analysieren zu können. Beispielsweise werden im Sportbereich Analysen von Bewegungsabläufen, insbesondere unter Einsatz modernster Technik immer stärker nachgefragt. So finden 5 heutzutage bereits im großen Maße Videoanalysen statt, bei denen beispielsweise der zu analysierende Schlag eines Tennisoder Golfspielers auf Band aufgezeichnet wird und anschließend von einem Sportkundigen durch Abspielen des Bandes in Zeitlupe analysiert wird. Aufgrund der zweidimensionalen Aufzeichnung 0 eines in drei Dimensionen stattfindenden Bewegungsablaufs ist es jedoch schwierig, genaue Analysen erstellen zu können.It is often desirable to be able to analyze the trajectory and exact movement of an object. For example, in the sports sector, there is increasing demand for movement sequences, particularly using the latest technology. So today 5 video analyzes are already taking place to a large extent, in which, for example, the tennis or golf player's stroke to be analyzed is recorded on tape and then analyzed by a sportsperson by playing the tape in slow motion. However, due to the two-dimensional recording 0 of a movement sequence taking place in three dimensions, it is difficult to be able to produce precise analyzes.
So sind aus dem Stand der Technik bereits einige Verfahren und Vorrichtungen bekannt, mit denen die Position und Orientierung 5 eines Objektes bestimmt werden kann.Some methods and devices are already known from the prior art with which the position and orientation 5 of an object can be determined.
Die Druckschrift EP 0 704 715 AI zeigt beispielsweise ein por- tables System für die Bestimmung, der Anfangsflugbahn eines Golfballes, Basketballes, Fußballes, etc. Hierzu sind auf dem D Objekt mehrere reflektierende oder kontrastreiche Flächenmarkierungen aufgebracht. Diese Flächenmarkierungen werden von einer oder zwei Kameras aufgenommen, indem eine Kamerablende synchron mit dem Aussenden eines Blitzlichtes geöffnet wird. Somit zeichnet die Kamera also ein Lichtmuster aller sichtbaren Flä- 5 chenmarkierungen in Form von Momentaufnahmen auf. Die Position und Orientierung des Golfballes wird anschließend aus den erhaltenen zweidimensionalen Kameradaten der Flächenmarkierungen und Kalibrierungsdaten bestimmt. Die Kalibrierungsdaten werden vor Inbetriebnahme des Systems durch Aufzeichnen von 20 Fl - chenmarkierungen eines Objektes, dessen Position und Orientierung' bekannt ist, sowie der Brennweite, Orientierung und Position der Kamera bestimmt. Von der Kamera wird lediglich das von beispielsweise 6 Markierungen stammende Lichtmuster aufgezeich- net, das somit 6 voneinander ununterscheidbare Lichtflecke zeigt. Die Auswerteelektronik muß schließlich jedem aufgezeichneten Lichtfleck die zugehörige Markierung auf dem Golfball (z.B. unter Analyse des zuvor aufgenommen Lichtmusters und einer Bewegungsvorhersage) zuordnen. Dies ist solange möglich, solange sich die Lichtflecke von Aufnahme zu Aufnahme nur wenig auf der Kameraaufnahmefläche verschieben (wenn der Zeitraum zwischen den Aufnahmen zu groß ist, ist eine solche Zuordnung nicht mehr eindeutig möglich) und die Bewegungsfreiheitsgrade des Objektes, insbesondere hinsichtlich einer Verformung des- selben, nicht zu groß sind.Document EP 0 704 715 AI shows, for example, a portable system for determining the initial trajectory of a golf ball, basketball, soccer ball, etc. For this purpose, several reflective or high-contrast area markings are applied to the D object. These area markings are recorded by one or two cameras by opening a camera aperture synchronously with the emission of a flash light. The camera thus records a light pattern of all visible surface markings in the form of snapshots. The position and orientation of the golf ball is then determined from the two-dimensional camera data of the surface markings and calibration data obtained. The calibration data are recorded before the system is started up by recording 20 Fl - chenmarkungen an object whose position and orientation 'is known, and the focal length, orientation and position of the camera determined. The camera only records the light pattern originating from, for example, 6 markings, which thus shows 6 light spots which are indistinguishable from one another. Finally, the evaluation electronics must assign the associated marking on the golf ball to each recorded light spot (for example by analyzing the previously recorded light pattern and a movement prediction). This is possible as long as the light spots shift only slightly from shot to shot on the camera recording surface (if the period between the shots is too long, such an assignment is no longer clearly possible) and the degree of freedom of movement of the object, particularly with regard to a deformation of the - same, not too big.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren und die zugehörige Vorrichtung derart weiterzuentwickeln, daß die Positions-, Orien- tierungs- und/oder Verformungsbestimmung, insbesondere unabhängig von der Aufnahmegeschwindigkeit und der Bewegungsfreiheits- grade, eindeutig wird.The invention is based on the object of further developing the method known from the prior art and the associated device in such a way that the determination of position, orientation and / or deformation becomes clear, in particular independently of the recording speed and the degree of freedom of movement ,
Die Erfindung löst diese Aufgabe jeweils mit den Gegenständen der Ansprüche 1 und 14. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen beschrieben.The invention solves this problem with the subject matter of claims 1 and 14. Preferred exemplary embodiments are described in the subclaims.
Danach ist ein Verfahren zum Bestimmen der Position, Orientierung und/oder Verformung eines, insbesondere sich bewegenden Objektes geschaffen, bei welchem von einem oder mehreren an dem Objekt angeordneten Signalgebern elektromagnetische Signale ausgesendet werden, wobei die Signalgeber derart gesteuert werden, daß die einzelnen Signale voneinander unterscheidbar sind, diese Signale auf wenigstens einen zweidimensional auflösenden Lagedetektor projiziert und dort in zweidimensionale Lagekoordinaten umgewandelt werden und aus den Lagekoordinaten die Position, Orientierung und/oder Verformung des (sich bewegenden) Objektes bestimmt wird. Vorteilhaft wird die Positions-, Orien- tierungs- und/oder Verformungsbestimmung mit der zusätzlichen Kennzeichnung jedes Signals erstens erleichtert, da keine entsprechenden mathematischen Identifikationsverfahren erforderlich sind, und zweitens eindeutig (siehe oben) . Hierbei können bei einer einfachen möglichen Kennzeichnungsvariante die Si- gnalgeber Lichtsignale auf unterschiedlichen Frequenzen aussenden, wobei der Lagedetektor oder ein zusätzlich bei dem Lagedetektor angeordneter Detektor die jeweiligen Frequenzen identifizieren kann. Zudem können mehrere Lagedetektoren, für jede Frequenz ein Lagedetektor, eingesetzt werden, die beispielswei- se Filter vor ihrer Aufnahmefläche haben und somit frequenzselektiv arbeiten. Diese einfache Kennzeichnung wird erstmals möglich, da bei der Erfindung - im Gegensatz zum oben beschriebenen Stand der Technik - aktiv leuchtende Signalgeber anstelle von passiven Reflektoren verwendet werden. Je nach Zahl der Translations-, Rotations- und Verformungsfreiheitsgrade des Objektes sowie der Anzahl an Lagedetektoren ist eine bestimmte Mindestzahl der am Objekt vorgesehenen Signalgebern erforderlich. Diese ,_,Signalgebern können zu Gruppen zusammengefaßt werden und an verschiedenen Orten am Objekt angebracht werden. Insbesondere werden solche Gruppen an Stellen des Objektes angebracht, die sich zu anderen Stellen des Objektes bewegen können. Umfaßt das Objekt beispielsweise ein Schwenkgelenk, so kann je eine Gruppe an Signalgebern an einem Schwenkarm des Schwenkgelenks starr angebracht werden, wobei jede Gruppe ab- hängig von den Translations- und Rotationsfreiheitsgraden des jeweiligen Schwenkarms eine bestimmte Anzahl an Signalgebern umfaß .Thereafter, a method for determining the position, orientation and / or deformation of an object, in particular a moving object, is created, in which electromagnetic signals are emitted by one or more signal transmitters arranged on the object, the signal transmitters being controlled in such a way that the individual signals from one another are distinguishable, these signals are projected onto at least one two-dimensional position detector and converted there into two-dimensional position coordinates, and the position, orientation and / or deformation of the (moving) object is determined from the position coordinates. The determination of position, orientation and / or deformation with the additional one is advantageous Labeling of each signal is easier, firstly, since no corresponding mathematical identification procedures are required, and secondly, clearly (see above). In the case of a simple possible identification variant, the signal transmitters can emit light signals at different frequencies, the position detector or a detector additionally arranged at the position detector being able to identify the respective frequencies. In addition, several position detectors, one position detector for each frequency, can be used, which, for example, have filters in front of their receiving surface and thus work frequency-selectively. This simple identification is possible for the first time since, in contrast to the prior art described above, actively illuminating signal transmitters are used instead of passive reflectors in the invention. Depending on the number of degrees of freedom of translation, rotation and deformation of the object and the number of position detectors, a certain minimum number of signal transmitters provided on the object is required. These, _, signal transmitters can be grouped together and attached to the object at different locations. In particular, such groups are attached to locations on the object that can move to other locations on the object. If the object comprises, for example, a swivel joint, a group of signal transmitters can be rigidly attached to a swivel arm of the swivel joint, each group comprising a specific number of signal transmitters depending on the degrees of freedom of translation and rotation of the respective swivel arm.
Bevorzugt wird das Aussenden der Signale von den Signalgebern derart gesteuert, daß die Signale beim Lagedetektor zeitlich nacheinander- in entsprechenden Zeitfenstern eintreffen. Somit muß nicht zwingend ein frequenzauflösender Lagedetektor eingesetzt werden, da mit einer entsprechenden Steuerschaltung bei den Signalgebern und einer entsprechenden Auswerteschaltung beim Lagedetektor (die untereinander synchronisiert sind) zu jedem Zeitpunkt feststeht, welcher Signalgeber gesendet hat. Vorteilhaft kann auch ein sogenannter PSD-Detektor (position sensitive detector) verwendet werden, der pro Zeitfenster die Koordinaten eines einzigen auf ihn projizierten Lichtfleckes ausgibt (wenn beispielsweise ein Lichtsignal als elektromagnetisches Signal verwendet wird) . Es können bei dieser Ausführungsform beispielsweise auch zwei Signalgeber gleichzeitig ihre Signale aussenden, sofern sich die Signalgeber an zwei ge- genüberliegenden Seiten eines Objektes befinden und der Lagedetektor somit zu jedem Zeitpunkt nur eines der beiden Signale abhängig von der Orientierung des Objektes empfängt.The transmission of the signals is preferably controlled by the signal transmitters in such a way that the signals arrive at the position detector one after the other in corresponding time windows. Thus, a frequency-resolving position detector does not necessarily have to be used, since with a corresponding control circuit in the signal transmitters and a corresponding evaluation circuit in the position detector (which are synchronized with one another) it is clear at all times which signal transmitter has sent. A so-called PSD detector (position sensitive detector) can advantageously also be used, which coordinates the coordinates of a single light spot projected onto it per time window outputs (when, for example, a light signal is used as an electromagnetic signal). In this embodiment, for example, two signal transmitters can also transmit their signals at the same time, provided the signal transmitters are located on two opposite sides of an object and the position detector thus receives only one of the two signals at any time depending on the orientation of the object.
Bevorzugt wird zusammen mit jedem Signal eine Zusatzinformation zum Identifizieren des ausgesendeten Signals übertragen. Dies kann die oben bereits angesprochene Frequenz des Signals sein. Alternativ ist die Zusatzinformation bevorzugt als Codierung in jedem Signal enthalten. Besonders bevorzugt kann die Zusatzinformation dabei dem jeweiligen Signal aufmoduliert werden. Die Modulation kann eine Frequenz-, Phasen- oder Amplitudenmodulation sein. Diese Zusatzinformation kann dabei zusätzlich oder alternativ zu der Maßnahme eingesetzt werden, die Signale in festen Zeitfenstern zu senden. Ersteres erhöht die Identifikationssicherheit .Additional information for identifying the transmitted signal is preferably transmitted together with each signal. This can be the frequency of the signal already mentioned above. Alternatively, the additional information is preferably contained as coding in each signal. The additional information can particularly preferably be modulated onto the respective signal. The modulation can be frequency, phase or amplitude modulation. This additional information can be used in addition or as an alternative to the measure of sending the signals in fixed time windows. The former increases identification security.
Sollte der Lagedetektor von seiner Verarbeitungsgeschwindigkeit dazu in der Lage sein, kann die codierte bzw. modulierte Zusatzinformation bevorzugt von dem Lagedetektor direkt decodiert bzw. demoduliert werden. Dies erübrigt eine zusätzliche Emp- fangseinheit . Wird die Frequenz, mit der die einzelnen Signale zeitlich nacheinander gesendet werden, jedoch weiter erhöht (um beispielsweise eine feinere Positionsauflösung auch bei hohen Objektgeschwindigkeiten zu erzielen) , so kann es erforderlich werden, die Zusatzinformation bevorzugt von einer separaten Empfangseinheit zu empfangen. Der Lagedetektor beschäftigt sich dann allein mit der Ausgabe der zweidimensionalen Lagekoordinaten der eintreffenden Signale.If the position detector is capable of doing so due to its processing speed, the coded or modulated additional information can preferably be directly decoded or demodulated by the position detector. This eliminates the need for an additional reception unit. However, if the frequency with which the individual signals are transmitted successively in time is increased further (in order, for example, to achieve a finer position resolution even at high object speeds), it may be necessary to receive the additional information preferably from a separate receiving unit. The position detector then deals only with the output of the two-dimensional position coordinates of the incoming signals.
Bevorzugt wird die Zusatzinformation von einem separaten Zusat- zinformation-Sender übertragen, der beispielsweise an dem Objekt angebracht ist. Hierzu kann eine Steuerschaltung am Objekt vorgesehen werden, welche das Senden der einzelnen Signalgeber steuert. Das hierzu verwendete Steuersignal wird dann ebenfalls über den Zusatzinformation-Sender an eine entsprechende mit der Auswerteschaltung gekoppelte Zusatzinformation-Empfangseinheit übertragen, insbesondere drahtlos, beispielsweise per Funk, Ultraschall oder optisch.The additional information is preferably transmitted by a separate additional information transmitter, which is attached to the object, for example. For this purpose, a control circuit can be provided on the object, which controls the transmission of the individual signal transmitters. The control signal used for this purpose is then also sent to a corresponding one via the additional information transmitter Transmit evaluation circuit coupled additional information receiving unit, in particular wireless, for example by radio, ultrasound or optical.
Bevorzugt wird die Position des sich bewegenden Objektes in Form der drei orthogonalen Koordinaten im Raum und die Orientierung in Form der drei orthogonalen Drehwinkel im Raum bestimmt, wobei hierzu wenigstens sieben Signalgeber verwendet werden. So ist es bereits mit einem Lagedetektor und sieben Si- gnalgebern möglich, die derart starr an einem steifen Objekt angeordnet sind, daß der Lagedetektor ihre Signale in jeder Position und Orientierung des Objektes empfangen kann, die Position und Orientierung in allen drei Translations- und drei Rotationsfreiheitsgraden zu bestimmen. Ist das Objekt in sich nicht steif, sondern beispielsweise über Gelenke verformbar, so kann über entsprechend angeordnete Signalgeber auch die Verformung des Objektes bestimmt werden.The position of the moving object in the form of the three orthogonal coordinates in space and the orientation in the form of the three orthogonal angles of rotation in space are preferably determined, at least seven signal transmitters being used for this purpose. So it is already possible with a position detector and seven signal transmitters, which are arranged so rigidly on a rigid object that the position detector can receive its signals in any position and orientation of the object, the position and orientation in all three translational and three To determine degrees of rotational freedom. If the object is not rigid in itself, but can be deformed, for example, via joints, the deformation of the object can also be determined by means of correspondingly arranged signal transmitters.
Bevorzugt werden jedoch objektabhängig (d.h. beispielsweise auch bei größeren steifen Objekten) mehr als sieben Signalgeber verwendet, welche so an dem Objekt angeordnet sind, daß in jeder möglichen Position und Orientierung des Objektes immer sieben Signale von sieben verschiedenen Signalgebern auf dem zweidimensionalen Lagedetektor abgebildet werden.However, depending on the object (i.e. also for larger, stiff objects), more than seven signal transmitters are preferably used, which are arranged on the object such that seven signals from seven different signal transmitters are always imaged on the two-dimensional position detector in every possible position and orientation of the object.
Bevorzugt sind die elektromagnetischen Signale Infrarot-Licht- Signale, welche vorteilhaft erstens eine gute Richtwirkung zeigen und zweitens nicht so stark vom Umgebungslicht gestört werden.The electromagnetic signals are preferably infrared light signals, which firstly have a good directivity and secondly are not so disturbed by the ambient light.
Die Erfindung sowie weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nunmehr anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:The invention and further advantages and features of the invention will now be explained in more detail on the basis of preferred exemplary embodiments with reference to the attached drawing. The drawing shows:
Fig. 1 in schematischer Ansicht die Anordnung -von vier an einem Objekt angebrachten Signalgebern und eines Lagedetektors mit Optik, i1 shows a schematic view of the arrangement of four signal transmitters attached to an object and a position detector with optics, i
Fig. 2 in schematischer Ansicht ein erstes Beispiel, bei dem zwei Lagedetektoren PSD1 und PSD2 und ein einzelner an dem Objekt angebrachter Signalgeber L verwendet werden, Figur 3' in schematischer Ansicht ein zweites Beispiel, bei dem ein Lagedetektor PSD und zwei an dem Objekt angebrachte Signalgeber Ll und L2 verwendet werden, Figur 4 in schematischer Ansicht das zweite Beispiel, bei dem ein Lagedetektor PSD und zwei an dem2 shows a schematic view of a first example in which two position detectors PSD1 and PSD2 and a single signal transmitter L attached to the object are used; FIG. 3 'shows a second example in a schematic view in which one position detector PSD and two are attached to the object Signal generators L1 and L2 are used, Figure 4 in a schematic view, the second example in which a position detector PSD and two at the
Objekt angebrachte Signalgeber Ll und L2 verwendet werden, jedoch das Objekt im Vergleich zu Figur 3 andere Bewegungsfreiheitsgrade hat, Figuren 6a,b,c schematisch in drei Ansichten in der xyz-, der xz- und der yz-Ebene die Position und Orientierung eines Objektes, dessen Position mit einem Lagedetektor und sieben an dem Objekt angebrachten Signalgebern bestimmt wird.Object-attached signal transmitters L1 and L2 are used, but the object has different degrees of freedom of movement compared to FIG. 3, FIGS. 6a, b, c schematically show the position and orientation of an object in three views in the xyz, xz and yz planes , whose position is determined with a position detector and seven signal transmitters attached to the object.
Fig. 1 zeigt in schematischer Ansicht eine Anordnung von vier an einem (nicht dargestellten) Objekt, beispielsweise einem Golfschlägerkopf , angebrachten Signalgebern A bis C und M, die in einer festen Lage zueinander stehen. Sollten die Signalgeber beweglich zueinander sein, so sollte für die anschließende Auswertung zu jedem Auswertezeitpunkt immer die genaue Lage der Signalgeber zueinander bekannt sein. In der Figur 1 sind die Signalgeber A bis C und M an einem eine Signalgebereinheit bildenden Dreibein angebracht, mit den drei Signalgebern A bis C an den Beinenden und dem Signalgeber M im Zentrum. Diese Signalgeber A bis C und M können auch an beliebigen Positionen eines starren Objektes, d.h. ohne das Dreibein, oder über ein beliebig geformtes Gestell, d.h. anders als das Dreibein, an dem Objekt angebracht sein. Ferner können mehrere solcher Drei- beine mit jeweils vier Signalgebern A bis C und M an verschiedenen Positionen eines Objektes befestigt sein, so daß entweder verschiedene Bewegungen eines Objektes, z.B. die Kopf-, Schulter-, Hüft, Arm-, Hand-, Golfschläger- und/oder Beinbewegung eines Golfspielers, oder aber die Bewegung eines Teils eines __- größeren Objektes von mehreren Seiten verfolgt werden können. Im letzteren Fall kann beispielsweise bei einem Objekt, an dessen Vorderseite und Rückseite je ein solches Dreibein angebracht ist, auch bei einer Objektdrehung um 180°, d.h. bei der Vorder- und Rückseite mit Bezug auf einen Beobachtungsstandpunkt vertauscht sind, die Objektbewegung weiter verfolgt werden. Umgekehrt kann natürlich bei nur einem Dreibein an der Vorder- oder Rückseite des Objektes die Objektbewegung selbstverständlich auch von zwei gegenüberliegenden Lagedetektoren (hinter und vor dem Objekt) unabhängig von der Position und Orientierung des Objektes verfolgt werden. Somit hängt es ganz von Ausgestaltung des Objektes an, wo die einzelnen Dreibeine oder Signalgeber bzw. die einzelnen Lagedetektoren angeordnet sein müssen, um alle Objektbewegungen sicher bestimmen zu kön- nen.1 shows a schematic view of an arrangement of four signal transmitters A to C and M which are attached to an object (not shown), for example a golf club head, and which are in a fixed position relative to one another. If the signal transmitters are movable relative to one another, the exact position of the signal transmitters relative to one another should always be known for the subsequent evaluation at each evaluation time. In FIG. 1, the signal generators A to C and M are attached to a tripod forming a signal generator unit, with the three signal generators A to C at the leg ends and the signal generator M in the center. These signal transmitters A to C and M can also be attached to the object at any positions of a rigid object, ie without the tripod, or via an arbitrarily shaped frame, ie differently than the tripod. Furthermore, several such tripods, each with four signal transmitters A to C and M, can be attached to different positions of an object, so that either different movements of an object, for example the head, shoulder, hip, arm, hand, golf club, and / or leg movement of a golfer, or the movement of a part of a __- larger object can be tracked from several sides. In the latter case, for example in the case of an object on the front and rear of which such a tripod is attached, the object movement can also be tracked even when the object is rotated by 180 °, ie the front and rear are interchanged with respect to an observation point of view. Conversely, of course, with only one tripod on the front or back of the object, the object movement can of course also be tracked by two opposite position detectors (behind and in front of the object) regardless of the position and orientation of the object. It therefore depends entirely on the design of the object where the individual tripods or signal transmitters or the individual position detectors must be arranged in order to be able to reliably determine all object movements.
Die Signalgeber A bis C und M können beispielsweise einfache in einen Halbraum isotrop ausstrahlende Leuchtdioden sein, insbesondere Infrarot-Leuchtdioden. Im übrigen eignen sich aber alle Arten von Signalgebern, welche ein elektromagnetisches, akustisches oder optisches Signal aussenden können, sofern ein entsprechender Lagedetektor anhand des eintreffenden Signals die Richtung angeben kann, aus welcher das Signals ausgesendet wurde.The signal generators A to C and M can, for example, be simple light-emitting diodes which emit isotropically in a half-space, in particular infrared light-emitting diodes. For the rest, however, all types of signal transmitters are suitable which can emit an electromagnetic, acoustic or optical signal, provided that a corresponding position detector can use the incoming signal to indicate the direction from which the signal was emitted.
In der Figur 1 ist die sensitive Aufnahmefläche eines solchen zweidimensional auflösenden Lagedetektors 1 gezeigt. Auf diese Aufnahmefläche wird der von den einzelnen Infrarot-Leuchtdioden als Signalgeber A bis C und M ausgesandte Infrarot-Lichtstrahl über eine Projektionslinse 2 projiziert. Der Lagedetektor PSD ist bevorzugt ein PSD-Detektor (position sensitive detector) , der unmittelbar die x- und y-Koordinate der Bildpunkte BA bis Bc und BM der jeweiligen Signale der Signalgeber A bis C und M als Lagekoordinaten ausgibt. Der Vorteil dieses Lagedetektors liegt darin, daß bereits detektorintern der Schwerpunkt eines auffallenden Lichtfleckes bestimmt wird und lediglich die x- und y-Koordinaten des Schwerpunkts ausgegeben werden. Ein solcher kostengünstiger und in der Auflösung hochgenauer Lagedetektor kann aber lediglich die Schwerpunktkoordinaten eines einzigen Lichtfleckes bzw. eines komplizierteren Lichtmusters ausgeben, was jedoch in diesem Fall aus den nachfolgend behandelten Gründen völlig ausreichend ist.FIG. 1 shows the sensitive recording area of such a two-dimensionally resolving position detector 1. The infrared light beam emitted by the individual infrared light-emitting diodes as signal generators A to C and M is projected onto this receiving surface via a projection lens 2. The position detector PSD is preferably a PSD detector (position sensitive detector) which directly outputs the x and y coordinates of the pixels B A to B c and B M of the respective signals of the signal generators A to C and M as position coordinates. The advantage of this position detector is that the center of gravity of a striking light spot is already determined inside the detector and only the x and y coordinates of the center of gravity are output. However, such a cost-effective position detector, which is highly accurate in resolution, can only determine the center of gravity coordinates of one output a single light spot or a more complicated light pattern, but this is completely sufficient in this case for the reasons discussed below.
So werden die optischen Signale der einzelnen Signalgeber A bis C und M nämlich zeitlich nacheinander ausgesendet. Das Aussenden kann dabei in einer sich periodisch wiederholenden Abfolge fest vorgegebener Zeitfenster erfolgen. Nach einer Periode, bei der alle Signalgeber nacheinander ihr Signal ausgesendet haben, kann eine kurze Pause erfolgen, um den Beginn einer neuen Periode zu kennzeichnen. Hierzu kann bei den Signalgebern A bis C und M eine entsprechende Steuerschaltung vorgesehen sein, die mit einer entsprechenden dem Lagedetektor nachgeschalteten Aus- werteschaltung von Zeit zu Zeit (beispielsweise lediglich zu Beginn der Positionsbestimmung) synchronisiert wird.The optical signals of the individual signal generators A to C and M are thus emitted one after the other in time. The transmission can take place in a periodically repeating sequence of predefined time windows. After a period in which all signal transmitters have emitted their signals one after the other, there can be a brief pause to indicate the start of a new period. For this purpose, a corresponding control circuit can be provided in the signal transmitters A to C and M, which is synchronized from time to time with a corresponding evaluation circuit downstream of the position detector (for example, only at the beginning of the position determination).
Für die Kommunikation mit den einzelnen Signalgebern A bis C und M (beispielsweise für deren Steuerung) bzw. für die Synchronisation der einzelnen Signalgeber A bis C und M kann fer- ner eine optische Sendeeinheit an dem Lagedetektor verwendet werden, die die einzelnen Signalgeber A bis C und M und/oder Signalgebereinheiten ansteuert und bestimmt, welche Signalgeber A bis C und M und /oder Signalgebereinheiten zu welchem Zeitpunkt senden dürfen. Dazu werden an jedem Signalgeber A bis C und M oder an jeder Signalgebereinheit eine oder mehrere optische Empfangseinheiten und eine Logikschaltung vorgesehen, die entscheidet, ob, wie und wann gesendet werden darf. Die Kommunikation bzw. Synchronisation der Signalgeber A bis C und M kann dabei auch über Funk, Ultrasschall, etc. erfolgen. Wird beispielsweise eine Signalgebereinheit mit mehreren Signalgebern A bis C und M zum Aussenden ihrer Signale aktiviert, so kann die Logikschaltung der zugehörigen Signalgebereinheit die einzelnen Sendefenster für ihre jeweiligen Signalgeber A bis C und M generieren. Die Information über die Abfolge der Sende- fenster ist dabei entweder bei der dem Lagedetektor nachgeschalteten Auswerteschaltung bekannt oder aber sie wird von der Logikschaltung nochmals zurück an eine entsprechende Empfangseinheit bei dem Lagedetektor gesendet und dann der Auswerteschaltung bereitgestellt . Falls es erforderlich wird, die einzelnen optischen Signale zusätzlich oder alternativ zu der Aussendung in fest vorgegebenen Zeitfenstern voneinander unterscheiden zu müssen, können die Signale entsprechend gekennzeichnet werden. Dazu werden die optischen Signale beispielsweise verschieden moduliert oder codiert. Falls die Modulationsart bzw. die Codierung genügend langsam ist, könnte der Lagedetektor selbst die optischen Signale demodulieren bzw. decodieren, um sie zu identifizieren. Wenn jedoch schnellere Modulationsarten bzw. Codierungen eingesetzt werden, kann zusätzlich zu dem Lagedetektor, insbesondere in dessen unmittelbarer Nähe, eine optische Empfangseinheit (z.B. ein Infrarot-Empfänger) verwendet werden, welche ausschließlich das eintreffende Signal demoduliert bzw. decodiert, jedoch keine Lagebestimmung vornimmt. Das demodulierte bzw. decodierte Signal der optischen Empfangseinheit stellt zusammen mit dem im wesentlich gleichzeitig ausgegebenen Positionssignal (x- und y-Koordinaten) die Information dar, welcher Signalgeber A bis C oder M gerade gesendet hat.For communication with the individual signal generators A to C and M (for example for their control) or for the synchronization of the individual signal generators A to C and M, an optical transmitter unit can also be used on the position detector, which the individual signal generators A to C and M and / or signal generator units controls and determines which signal generators A to C and M and / or signal generator units are allowed to send at what time. For this purpose, one or more optical receiving units and a logic circuit are provided on each signal generator A to C and M or on each signal generator unit, which decides whether, how and when transmission may take place. The signaling devices A to C and M can also be communicated or synchronized via radio, ultrasound, etc. If, for example, a signal transmitter unit with several signal transmitters A to C and M is activated to send out its signals, the logic circuit of the associated signal transmitter unit can generate the individual transmission windows for their respective signal transmitters A to C and M. The information about the sequence of the transmission windows is either known in the evaluation circuit downstream of the position detector or else it is sent back by the logic circuit to a corresponding receiving unit in the position detector and then made available to the evaluation circuit. If it becomes necessary to distinguish the individual optical signals from one another in addition or as an alternative to the transmission in predetermined time windows, the signals can be identified accordingly. For this purpose, the optical signals are modulated or coded differently, for example. If the type of modulation or the coding is sufficiently slow, the position detector itself could demodulate or decode the optical signals in order to identify them. However, if faster types of modulation or coding are used, an optical receiver unit (e.g. an infrared receiver) can be used in addition to the position detector, particularly in its immediate vicinity, which only demodulates or decodes the incoming signal, but does not determine the position. The demodulated or decoded signal of the optical receiving unit together with the essentially simultaneously output position signal (x and y coordinates) represents the information which signal generator A to C or M has just sent.
Prinzipiell können zur Auswertung der von den Signalgebern A bis C und M gesendeten optischen Signale ein oder mehrere Lagedetektoren verwendet werden. Bei zwei Lagedetektoren im bekannten Abstand zueinander kann eine dreidimensionale Bestimmung der Objekt-Koordinaten ermöglicht werden. Durch verschiedene Einschränkungen der Bewegungsfreiheit des Objektes ergeben sich Sonderfälle, welche die anschließende Positionsberechnungen vereinfachen. Diese Sonderfälle werden nachfolgend anhand jeweils eines speziellen Beispiels beschrieben. Abschließend wird ein Beispiel für den allgemeinen Fall aufgeführt, bei dem sowohl die Position (Raumkoordinaten) als auch die Verdrehungen der Achsen eines ansonsten steifen Objektes berechnet werden können. Für ein verformbares Objekt können zusätzlich an verschiedenen Stellen des Objektes, welche sich zueinander bewegen können, gerade so viele Signalgeber A bis C und M angebracht werden, daß die Bewegung dieser Stellen aus den Signalen der dieser Stelle zugeordneten Signalgeber sowie der bereits bestimmten Position und Orientierung des gesamten Objektes und der übrigen beweglichen Stellen des Objektes abgeleitet werden kann.In principle, one or more position detectors can be used to evaluate the optical signals sent by the signal generators A to C and M. With two position detectors at a known distance from one another, a three-dimensional determination of the object coordinates can be made possible. Due to various restrictions on the freedom of movement of the object, special cases arise which simplify the subsequent position calculations. These special cases are described below using a specific example. Finally, an example is given for the general case, in which both the position (spatial coordinates) and the rotations of the axes of an otherwise rigid object can be calculated. For a deformable object, just as many signal generators A to C and M can be attached to different points of the object that can move towards one another that the movement of these points from the signals of the signal generators assigned to this point and the already determined position and orientation of the entire property and the other moving parts of the object can be derived.
Die Figur 2 zeigt ein erstes spezielles Beispiel, bei dem zwei Lagedetektoren PSDl und PSD2 und ein einzelner an dem Objekt angebrachter Signalgeber L verwendet werden. Mit dieser Konstellation können zwar die Raumkoordinaten des Objektes, jedoch keinerlei Verdrehungen des Objektes berechnet werden. Es wird angenommen, daß der Abstand der Lagedetektoren PSDl und PSD2 bekannt ist. Für die Positionsbestimmung des Objektes werden die beiden x- und y-Koordinaten der auf die beiden Lagedetektoren PSDl und PSD2 abgebildeten Bildpunkte des Signalgebers L ausgelesen und einer Auswerteschaltung zugeführt . Aus diesen Koordinaten läßt sich bei Kenntnis der Ausrichtung und Position der beiden Lagedetektoren PSD 1 und PSD2 sowie der Brennweite der beiden (nicht dargestellten) Projektionslinsen vor den Lagedetektoren PSDl und PSD2 die Richtungen der eintreffenden Lichtstrahlen ableiten. Der Schnittpunkt der beiden Richtungen ergibt die 3D-Koordinaten des Objektes.FIG. 2 shows a first special example in which two position detectors PSD1 and PSD2 and a single signal generator L attached to the object are used. With this constellation, the spatial coordinates of the object can be calculated, but no twists of the object. It is assumed that the distance between the position detectors PSD1 and PSD2 is known. To determine the position of the object, the two x and y coordinates of the pixels of the signal generator L which are imaged on the two position detectors PSD1 and PSD2 are read out and fed to an evaluation circuit. If the orientation and position of the two position detectors PSD 1 and PSD2 and the focal length of the two (not shown) projection lenses in front of the position detectors PSD1 and PSD2 are known, the directions of the incoming light beams can be derived from these coordinates. The intersection of the two directions gives the 3D coordinates of the object.
Bei dieser Variante kann das zeitlich aufeinanderfolgende Aussenden von Lichtsignalen von dem Signalgeber L beispielsweise den Auswertetakt der Auswerteschaltung triggern. Durch Erhöhen der Sendefrequenz wird somit die Auflösung der Positionsbestim- mung genauer. Umfaßt das Objekt beispielsweise einen integrierten Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsmesser, so kann die Sendefrequenz abhängig von der gemessenen Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung eingestellt werden. Auch hier findet somit erfindungsgemäß eine Unterscheidung der einzelnen von dem einen Signalgeber L ausgesendeten Lichtsignale statt.In this variant, the successive emission of light signals from the signal generator L can trigger, for example, the evaluation clock of the evaluation circuit. By increasing the transmission frequency, the resolution of the position determination becomes more precise. If the object includes, for example, an integrated speed or acceleration meter, the transmission frequency can be set depending on the measured speed or acceleration. According to the invention, a distinction is thus also made between the individual light signals emitted by the one signal transmitter L.
Ein Anwendungsbeispiel für diesen einfachen Aufbau wäre die Messung der Kopfbewegung eines Golfspielers, wenn Kopfdrehungen nicht weiter bestimmt werden sollen.An example of an application for this simple structure would be the measurement of the head movement of a golfer when head turns are no longer to be determined.
Die Figur 3 zeigt ein zweites spezielles Beispiel, bei dem ein Lagedetektor PSD und zwei an dem Objekt angebrachte Signalgeber Ll und L2 verwendet werden. Ferner wird angenommen, daß das Objekt sich lediglich in einer Ebene parallel zu dem Lagedetektor PSD bewegen kann und der Abstand dieser Ebene zum Lagedetektor PSD bekannt ist. Außerdem soll lediglich eine Drehung des Objektes in dieser Ebene erlaubt sein, d.h. daß die zwei Signalgeber Ll und L2 ebenfalls immer in der Ebene bleiben. Bei die- ser Konstellation können die Koordinaten des Objektes in der Parallelebene und der eine Drehwinkel berechnet werden. Aus den zeitlich nacheinander aufgezeichneten x- und y-Koordinaten der beiden auf den Lagedetektor PSD abgebildeten Bildpunkte lassen sich die beiden Richtungen der eintreffenden Lichtstrahlen, je- weils von dem Signalgeber Ll und dem Signalgeber L2 , ableiten. Aus den beiden Richtungen und dem Abstand der Parallelebene zum Lagedetektor PSD können dann in einem ersten Schritt die Koordinaten der Signalgeber Ll und L2 , und damit die Koordinaten des zugehörigen Objektes (bei bekannter fester Anordnung der Signalgeber Ll und L2 am Objekt) , und in einem zweiten Schritt der eine Drehwinkel des Objektes in dieser Ebene bestimmt werden.FIG. 3 shows a second specific example in which a position detector PSD and two signal transmitters L1 and L2 attached to the object are used. Furthermore, it is assumed that the object is only in one plane parallel to the position detector PSD can move and the distance of this level to the position detector PSD is known. In addition, only a rotation of the object in this plane should be allowed, ie the two signal generators L1 and L2 also always remain in the plane. With this constellation, the coordinates of the object in the parallel plane and the one angle of rotation can be calculated. The two directions of the incoming light beams can be derived from the signal transmitter L1 and the signal transmitter L2, respectively, from the x and y coordinates of the two image points mapped onto the position detector PSD in chronological order. From the two directions and the distance from the parallel plane to the position detector PSD, the coordinates of the signal transmitters L1 and L2, and thus the coordinates of the associated object (with known fixed arrangement of the signal transmitters Ll and L2 on the object), and then in one step second step of determining an angle of rotation of the object in this plane.
Ein Anwendungsbeispiel für diese Konstellation ist die Beinbe- wegung eines Golfspielers entlang einer Parallelebene.An example of an application for this constellation is the leg movement of a golfer along a parallel plane.
Bei der Konstellation der Figur 4 ist noch ein weiterer Bewegungsfreiheitsgrad unter folgender Annahme bestimmbar: das Objekt soll sich einerseits in einer Parallelebene drehen und be- wegen können und andererseits soll sich die Parallelebene in die Tiefe bewegen können. Der Abstand der beiden Signalgeber Ll und L2 ist wiederum bekannt. Bei dieser Konstellation werden also der Abstand der Parallelebene zum Lagedetektor PSD und der Drehwinkel und die Position des Objektes innerhalb der Paralle- lebene berechnet. Aus der Kenntnis, daß sich die Signalgeber Ll und L2in einer Parallelebene zum Lagedetektor PSD befinden, und aus einer Bestimmung des Abstandes der Bildpunkte der beiden Signalgeber Ll und L2 zueinander kann der Abstand g der Parallelebene zum Lagedetektor PSD wie folgt bestimmt werden:In the constellation of FIG. 4, a further degree of freedom of movement can be determined under the following assumption: on the one hand the object should be able to rotate and move in a parallel plane and on the other hand the parallel plane should be able to move in depth. The distance between the two signal generators L1 and L2 is again known. With this constellation, the distance from the parallel plane to the position detector PSD and the angle of rotation and the position of the object within the parallel plane are calculated. From the knowledge that the signal transmitters L1 and L2 are located in a parallel plane to the position detector PSD, and from a determination of the distance of the pixels of the two signal transmitters L1 and L2 from one another, the distance g of the parallel plane to the position detector PSD can be determined as follows:
L2 ~ X g = e (1) B2 - B2 wobei L2-Lι der bekannte Abstand der beiden Signalgeber Ll und L2 voneinander ist, B2-B-L der berechenbare Abstand der beiden Bildpunkte der beiden Signalgebern Ll und L2 und e die Brennweite der Proj ktionslinse ist. Die Figur 4 verdeutlicht den obigen Sachverhalt.L 2 ~ X g = e (1) B 2 - B 2 where L 2 -Lι is the known distance between the two signal generators Ll and L2, B 2 -B- L is the calculable distance between the two pixels of the two signal generators Ll and L2 and e is the focal length of the projection lens. Figure 4 illustrates the above situation.
Dann können - wie oben erläutert - aus den x- und y-Koordinaten der beiden auf den Lagedetektor PSD abgebildeten Bildpunkte die beiden Richtungen der eintreffenden Lichtstrahlen von den Si- gnalgebern Ll und L2 bestimmt werden und schließlich aus den bestimmten Richtungen und dem Abstand die Position des Objektes in der Parallelebene und der Drehwinkel berechnet werden.Then, as explained above, the two directions of the incoming light beams can be determined by the signal transmitters L1 and L2 from the x and y coordinates of the two image points imaged on the position detector PSD and finally the position from the determined directions and the distance of the object in the parallel plane and the angle of rotation can be calculated.
Ein Anwendungsbeispiel für diese Konstellation ist die Bestim- mung der Vor- und Rückwärtsbewegung des Kopfes eines Golfspielers entlang einer Linie senkrecht zum Lagedetektor und eine seitliche Bewegung und Verdrehung des Kopfes in der Parallelebene.An application example for this constellation is the determination of the forward and backward movement of the head of a golfer along a line perpendicular to the position detector and a lateral movement and rotation of the head in the parallel plane.
Die Figuren 5a und 5b zeigen in zwei Ansichten in der yz- und der xz-Ebene die Position und Orientierung eines Objektes, dessen Position mit einem Lagedetektor PSD und drei an dem Objekt angebrachten Signalgebern A, B und C bestimmt werden soll, sowie die entsprechenden drei Bildpunkte auf dem Lagedetektor. Bei diesem Beispiel soll die Position des Objektes im Raum bestimmt werden, während die Drehungen des Objektes lediglich auf eine Drehung in der yz-Ebene beschränkt ist. Die drei Signalgeber A bis C sind hierbei rechtwinkelig zueinander angeordnet, d.h. sie liegen an den Ecken eines rechtwinkligen Dreiecks mit dem Signalgeber B an der Ecke mit dem rechten Winkel . Die Abstände AB und CB der Signalgeber A bis C haben die Länge a/2 und stehen - wie gesagt - orthogonal zueinander. Aus dieser Kenntnis können die Abstände gA, gs und gc der Signalgeber von der Projektionslinse und der Drehwinkel φ in der yz-Ebene wie folgt bestimmt werden:FIGS. 5a and 5b show in two views in the yz and xz planes the position and orientation of an object, the position of which is to be determined using a position detector PSD and three signal transmitters A, B and C attached to the object, and the corresponding ones three pixels on the position detector. In this example, the position of the object in space is to be determined, while the rotations of the object are only restricted to one rotation in the yz plane. The three signal generators A to C are arranged at right angles to one another, ie they are located at the corners of a right-angled triangle with the signal generator B at the corner with the right angle. The distances AB and CB of the signal generators A to C have the length a / 2 and - as I said - are orthogonal to each other. From this knowledge, the distances g A , gs and gc of the signal transmitter from the projection lens and the angle of rotation φ in the yz plane can be determined as follows:
Figure imgf000014_0001
wobei GÄX und GAy die x- und y-Koordinaten des Signalgebers A, B Ax und BAy die x- und y-Koordinaten der Bildpunkte des Signalgebers A bei dem Lagedetektor PSD, gA der Abstand des Signalge- bers A von der Projektionslinse und e die Brennweite der Projektionslinse (bzw. der Abstand Projektionslinse zur Aufnahmefläche des Lagedetektors PSD) ist . In den Figuren 5a und 5b sind noch die y-Koordinaten GBy und Gcy der Signalgeber B und C sowie die x- und y-Koordinaten BBx, Bx und BBy , BCy der Bild- punkte der Signalgeber B und C eingezeichnet .
Figure imgf000014_0001
where G AX and G Ay the x and y coordinates of the signal generator A, B A x and d Ay the x and y coordinates of the pixels of the signal generator A in the position detector PSD, gA the distance of the signal generator A from the projection lens and e is the focal length of the projection lens (or the distance from the projection lens to the receiving surface of the position detector PSD). In FIGS. 5a and 5b the y coordinates G By and Gc y of the signal generators B and C and the x and y coordinates B Bx , B x and B By , B Cy are the pixels of the signal generators B and C drawn.
Für die Signalgeber B und C ergeben sich aus den Abbildungsgesetzen analoge Gleichungen. Da die drei Signalgeber A bis C für alle Werte des Drehwinkel immer in der yz-Ebene liegen, gilt (wie auch aus Figur 5b leicht ersichtlich wird) :Analog signaling equations result for the signal generators B and C from the mapping laws. Since the three signal generators A to C are always in the yz plane for all values of the angle of rotation, the following applies (as can also be easily seen from FIG. 5b):
GAx = GBx = GCx (3) G Ax = G Bx = G Cx ( 3 )
Der Drehwinkel φ läßt sich - wie aus der Figur 5a leicht er- sichtlich wird - aus den Differenzabständen gA-gB bzw . gB-gc ableiten :The angle of rotation φ can - as can easily be seen from FIG. 5a - be determined from the difference distances g A -g B or. Derive g B -gc:
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000015_0001
Aus dem Verhältnis der Differenzabstände und den Abbildungsgleichungen erhält man den Drehwinkel φ auch folgendermaßen:The angle of rotation φ can also be obtained from the ratio of the difference distances and the mapping equations as follows:
= B? BB (5)
Figure imgf000015_0002
= B ? BB (5)
Figure imgf000015_0002
Damit läßt sich der Abstand des Signalgebers B von der Projektionslinse (und damit die Objektposition) auch wie folgt schreiben:
Figure imgf000016_0001
The distance of the signal generator B from the projection lens (and thus the object position) can also be written as follows:
Figure imgf000016_0001
Ein Anwendungsbeispiel wäre die Bestimmung der Vor- und Rückwärtsbewegung des Rückens eines Golfspielers entlang einer Li- nie mit einer zusätzlichen Verdrehung in dieser Richtung.An example of an application would be to determine the back and forth movement of a golfer's back along a line with an additional twist in that direction.
Die Figuren 6a, b und c zeigen in drei Ansichten in der xyz-, der xz- und der yz-Ebene die Position und Orientierung eines Objektes, dessen Position mit einem Lagedetektor PSD und sieben an dem Objekt angebrachten Signalgebern A bis G bestimmt werden soll. Bei diesem allgemeinen Beispiel soll die Position des Objektes im Raum sowie alle drei Drehwinkel im Raum bestimmt werden. In der Figur 6a ist die geometrische Anordnung der 7 Signalgeber A bis G gezeigt. Die Signalgeber A bis G seien so an- geordnet, daß die Strecken BA, BC, BE und BG die Länge a/2 und die Strecken BD und BF die Länge v3/4 haben. Das Koordinatensystem ist ferner so gewählt, daß die Orte aller Signalgeber anfangs direkt auf den Koordinatenachsen x, y und z liegen. So liegen die Signalgeber A und C also auf der x-Achse, die Si- gnalgeber D und F auf der y-Achse und die Signalgeber E und G auf der z-Achse und der Signalgeber B im Mittelpunkt der Koordinatenachsen. Diese geometrische Anordnung der sieben Signalgeber A bis G kann im kartesischen Koordinatensystem verschoben und verdreht werden. Dabei wird der Signalgeber B im Mittel- punkt der Anordnung um die Koordinaten GBx, GBy und GBz gegenüber dem anfänglichen Koordinatensystem verschoben. Der Winkel φl beschreibe eine Drehung um die y-Achse, der Winkel φ2 eineFIGS. 6a, b and c show in three views in the xyz, xz and yz planes the position and orientation of an object, the position of which is to be determined using a position detector PSD and seven signal transmitters A to G attached to the object , In this general example, the position of the object in space and all three angles of rotation in space are to be determined. The geometric arrangement of the 7 signal generators A to G is shown in FIG. 6a. The signal generators A to G are arranged in such a way that the lines BA, BC, BE and BG have the length a / 2 and the lines BD and BF the length v3 / 4. The coordinate system is also selected so that the locations of all signal generators are initially located directly on the coordinate axes x, y and z. The signal generators A and C are thus on the x axis, the signal generators D and F on the y axis and the signal generators E and G on the z axis and the signal generator B in the center of the coordinate axes. This geometric arrangement of the seven signal generators A to G can be shifted and rotated in the Cartesian coordinate system. The signal generator B is shifted in the center of the arrangement by the coordinates G Bx , G By and G Bz compared to the initial coordinate system. The angle φl describes a rotation about the y-axis, the angle φ2 one
Drehung um die x-Achse und der Winkel φ3 eine Drehung um die z- Achse .Rotation around the x-axis and the angle φ3 a rotation around the z-axis.
Die sieben Signalgeber A bis G haben die folgenden Koordinaten im Raum: A:=
Figure imgf000017_0004
The seven signal generators A to G have the following coordinates in space: A: =
Figure imgf000017_0004
Figure imgf000017_0001
Figure imgf000017_0001
Die Bildpunkte A bis G als Abbildungen der sieben Signalgeber A bis G auf dem Lagedetektor PSD haben folgende Koordinaten:The pixels A to G as images of the seven signal generators A to G on the position detector PSD have the following coordinates:
Figure imgf000017_0005
Figure imgf000017_0005
Figure imgf000017_0002
Figure imgf000017_0002
Die Koordinaten der Signalgeber A und C bis G im Raum können abhängig von den Koordinaten des Signalgebers B und der dreiThe coordinates of the signal generator A and C to G in space can depend on the coordinates of the signal generator B and the three
Drehwinkel φl, φ2 und φ3 folgendermaßen dargestellt werden:Angle of rotation φl, φ2 and φ3 can be represented as follows:
GAx = GBx - sin(φ2 ) • sin(^ ) • sin( ) + - cos(^ ) • cos( ) a G Ax = G Bx - sin (φ 2 ) • sin (^) • sin () + - cos (^) • cos () a
GAy = G 'BB.y + ^cos(&)-sin( ) (9) G Ay = G 'BB.y + ^ cos (&) - sin () (9)
GAz = GBz - sin(^2 ) • sin(ξ ) • cos( ) - - cos( ) • sin( ) G Az = G Bz - sin (^ 2 ) • sin (ξ) • cos () - - cos () • sin ()
Gcx ) • cos( )
Figure imgf000017_0003
G c x ) • cos ()
Figure imgf000017_0003
G, r a rCy s( )-sin( ,) a aG, r a r Cy s () -sin (,) aa
Ga =GBZ + 2 ■ sin( , ) • sin(^3 ) • cos( ) + - cos(^ ) • sin( ) G a = G BZ + 2 ■ sin (,) • sin (^ 3 ) • cos () + - cos (^) • sin ()
(10) GD Dxx = 'lBx ) - cos( )
Figure imgf000018_0001
3
(10) G D Dxx = 'lBx) - cos ()
Figure imgf000018_0001
3
Gθ — = ^ GBByy + o - cos(^2) cos(^) (11)Gθ - = ^ G B B y y + o - cos (^ 2 ) cos (^) (11)
[3" IT[3 " IT
G 'Dnz, = GJ BBzr - aΛ - sin( , ) • cos(^3 ) cos( ) + aJ— sin( , ) • sin( )G 'Dnz, = GJ B B z r - a Λ - sin (,) • cos (^ 3 ) cos () + aJ— sin (,) • sin ()
G EX = G& - - cos(^2 ) sin( ) G EX = G & - - cos (^ 2 ) sin ()
G^ = G,--sin(&) (12)G ^ = G , - sin (&) (12)
Ga = GB, - 2 cos( ) • cos( ) G a = G B, - 2 cos () • cos ()
* = GßJC + a^- m(φ2 ) cos(φ3 ) • sin( ) + a - sin(^ ) • cos( ) * = G ßJC + a ^ - m (φ 2 ) cos (φ 3 ) • sin () + a - sin (^) • cos ()
Figure imgf000018_0002
Figure imgf000018_0002
[3 Ϊ3[3 Ϊ3
G Z = G BZ +a ^ sin(^2 ) s(<k ) cos( ) - a - sin(^ ) sin( ) G Z = G BZ + a ^ sin ( ^ 2) s (<k) cos () - a - sin (^) sin ()
aa
G Gx GBx+-cos(φ2)-sin(φ) aG Gx G Bx + -cos (φ 2 ) -sin (φ) a
Gay = GBy+-sin(φ2) (14) a G a y = G By + -sin (φ 2 ) (14) a
GG2 = GB∑ +-cos(φ2)- cos(^)G G2 = G B∑ + -cos (φ 2 ) - cos (^)
Ferner ergeben sich - wie aus den Figuren 6b und 6c leicht er- sichtlich wird - die folgenden Gleichungen über das Abbildungsgesetz:Furthermore, as can easily be seen from FIGS. 6b and 6c, the following equations result from the mapping law:
B Ax G Ax B Ay G Ay und (15)B Ax G Ax B Ay G Ay and (15)
G Az e G AzG Az e G Az
Für die Signalgeber B, C, D, E, F und G ergeben sich analoge Gleichungen. Aus diesen über das Abbildungsgesetz erhaltenen Gleichungen (15) und den oben aufgestellten Gleichungen (9) bis (14) können die Drehwinkel φl, φ2 und φ3 und der Abstand GBz in Abhängigkeit der Koordinaten der Bildpunkte und der jeweils bereits berechneten Drehwinkel beschrieben werden.Analog equations result for the signal generators B, C, D, E, F and G. From these equations (15) obtained via the mapping law and the equations (9) to (14) set out above, the angles of rotation φl, φ2 and φ3 and the distance G Bz can be described as a function of the coordinates of the pixels and the angle of rotation already calculated in each case.
Drehwinkel φ3 :Angle of rotation φ3:
Figure imgf000019_0001
Figure imgf000019_0001
Drehwinkel φ2 :Angle of rotation φ2:
oderor
Figure imgf000019_0002
Drehwinkel φl
Figure imgf000019_0002
Angle of rotation φl
Figure imgf000019_0003
Abstand gB :
Figure imgf000019_0003
Distance g B :
oderor
oderor
Figure imgf000020_0001
Figure imgf000020_0001
Aus den berechneten Drehwinkeln φl, φ2 und φ3 sowie dem Abstand gB können über die Gleichungen (9) bis (14) die Koordinaten der Punkte A,B,C,D,E,F und G im Raum berechnet werden. Es kann hierfür ein Referenzpunkt festgelegt werden, welcher folgende Koordinaten ha .The coordinates of the points A, B, C, D, E, F and G in space can be calculated from the calculated angles of rotation φl, φ2 and φ3 and the distance g B using equations (9) to (14). A reference point can be defined for this, which has the following coordinates.
Figure imgf000020_0002
Figure imgf000020_0002
Die Koordinaten des Punktes A bezogen auf den Referenzpunkt R ergeben sich folgendermaßen.The coordinates of point A in relation to reference point R are as follows.
Figure imgf000020_0003
Figure imgf000020_0003
Die Koordinaten der Punkte B,C,D,E,F und G werden analog berechnet . Aus den bestimmten Positionen beispielsweise eines geschwungenen Golfschlägers und der bekannten Position eines zu treffenden Golfballes lassen sich dann beispielsweise erst die Schwungbahn des Golfschlägers, dann der genaue Treffpunkt des Golfballes (hook, slice, draw, etc.) und die Treffgeschwindig- keit und schließlich die Flugbahn des Golfballes errechnen. Diese kann beispielsweise großformatig auf einem Bildschirm vor dem Golfspieler zusammen mit dem Golfterrain angezeigt werden, so daß insgesamt eine vollständige, absolut realistische Golf- simulation möglich wird.The coordinates of points B, C, D, E, F and G are calculated analogously. From the specific positions of, for example, a swinging golf club and the known position of a golf ball to be hit, it is then possible, for example, to first determine the golf club's swing path, then the exact meeting point of the golf ball (hook, slice, draw, etc.) and the speed of the hit and finally that Calculate the trajectory of the golf ball. For example, this can be displayed in large format on a screen in front of the golfer together with the golf course, so that overall a complete, absolutely realistic golf simulation is possible.
Die Anmelderin behält sich vor, den Gegenstand des oben aufgeführten speziellen Auswerteverfahren für die Positions- und Orientierungsbestimmung getrennt von der Unterscheidung der einzelnen Signale von den Signalgebern weiterzuverfolgen. Dieser Gegenstand betrifft ein Verfahren eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position, Orientierung und/oder Verformung eines Objektes, bei welchem von einem oder mehreren mit dem Objekt gekoppelten Signalgebern elektromagnetische Signale ausgesendet werden, diese Signale auf einen oder mehrere zweidimensional auflösende Lagedetektoren projiziert und dort in zweidimensionale Lagekoordinaten umgewandelt werden, und über einfach Abbildungsgesetze aus den Lagekoordinaten die Position, Orientie- rung und/oder Verformung des sich bewegenden Objektes bestimmt wird. The applicant reserves the right to pursue the subject of the above-mentioned special evaluation method for determining the position and orientation separately from the differentiation of the individual signals from the signal transmitters. This object relates to a method, a device for determining the position, orientation and / or deformation of an object, in which electromagnetic signals are emitted by one or more signal transmitters coupled to the object, these signals are projected onto one or more position detectors with two-dimensional resolution and there into two-dimensional ones Position coordinates are converted, and the position, orientation and / or deformation of the moving object is determined from the position coordinates using simple mapping laws.

Claims

Ansprüche : Expectations :
1. Verfahren zum Bestimmen der Position, Orientierung und/oder Verformung eines Objektes, bei welchem a) von einem oder mehreren an dem Objekt angeordneten Signalgebern (A-G, M) elektromagnetische Signale ausgesendet werden, wobei die Signalgeber (A-G, M) derart gesteuert werden, daß die einzelnen Signale von- einander unterscheidbar sind; b) diese Signale auf wenigstens einen zweidimensional auflösenden Lagedetektor (PSD) projiziert und dort in zweidimensionale Lagekoordinaten umgewandelt werden; und c) aus den Lagekoordinaten die Position, Orientierung und/oder Verformung des Objektes bestimmt wird.1. A method for determining the position, orientation and / or deformation of an object, in which a) electromagnetic signals are emitted by one or more signal transmitters (AG, M) arranged on the object, the signal transmitters (AG, M) being controlled in this way that the individual signals are distinguishable from each other; b) these signals are projected onto at least one two-dimensional position detector (PSD) and are converted there into two-dimensional position coordinates; and c) the position, orientation and / or deformation of the object is determined from the position coordinates.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Aussenden der Signale von den Signalgebern (A-G, M) derart gesteuert wird, daß die Signale beim Lagedetektor (PSD) zeitlich nacheinander in entsprechenden Zeitfenstern eintreffen.2. The method according to claim 1, wherein the transmission of the signals from the signal transmitters (A-G, M) is controlled such that the signals arrive at the position detector (PSD) one after the other in corresponding time windows.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem zusammen mit jedem Signal eine Zusatzinformation zum Identifizieren des ausgesendeten Signals übertragen wird.3. The method of claim 1 or 2, wherein together with each signal, additional information for identifying the transmitted signal is transmitted.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die Zusatzinformation als Codierung in jedem Signal enthalten ist.4. The method according to claim 3, wherein the additional information is contained as coding in each signal.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem die Zusatzinformation dem jeweiligen Signal aufmoduliert wird.5. The method according to claim 4, wherein the additional information is modulated onto the respective signal.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem die codierte bzw. modulierte Zusatzinformation von dem Lagedetektor (PSD) direkt decodiert bzw. demoduliert wird.6. The method according to claim 4 or 5, in which the coded or modulated additional information is directly decoded or demodulated by the position detector (PSD).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei welcher die Zusatzinformation von einer separaten Empfangseinheit empfangen wird. i7. The method according to any one of claims 2 to 5, wherein the additional information is received by a separate receiving unit. i
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Zusatzinformation von einem separaten Zusatzinformation-Sender übertragen wird.8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the additional information is transmitted by a separate additional information transmitter.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei welchem das Steuersignal für die SendeSteuerung der Signalgeber (A-G, M) drahtlos an die Signalgeber (A-G, M) übertragen wird. 09. The method as claimed in one of claims 2 to 8, in which the control signal for the transmission control of the signal transmitters (A-G, M) is transmitted wirelessly to the signal transmitters (A-G, M). 0
10 Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem das Steuersignal optisch, per Funk oder per Ultraschall übertragen wird.10. The method according to claim 9, wherein the control signal is transmitted optically, by radio or by ultrasound.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei 5 welchem die Position des sich bewegenden Objektes in Form der drei orthogonalen Koordinaten im Raum und die Orientierung in Form der drei orthogonalen Drehwinkel im Raum bestimmt wird, wobei wenigstens sechs Signalgeber (A-G) verwendet werden . 011. The method according to any one of the preceding claims, in which the position of the moving object in the form of the three orthogonal coordinates in space and the orientation in the form of the three orthogonal angles of rotation in space is determined, at least six signal transmitters (A-G) being used. 0
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem objektabhängig mehr als sechs Signalgeber (A-G, M) verwendet werden, welche so an dem Objekt angeordnet sind, daß in jeder möglichen Position, Orientierung oder Verformung des Objektes 5 immer sechs Signale von sechs verschiedenen Signalgebern (A-G, M) auf dem zweidimensionalen Lagedetektor (PSD) abgebildet werden.12. The method according to claim 11, in which, depending on the object, more than six signal transmitters (AG, M) are used, which are arranged on the object such that in every possible position, orientation or deformation of the object 5 there are always six signals from six different signal transmitters ( AG, M) are imaged on the two-dimensional position detector (PSD).
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei D welchem die elektromagnetischen Signale Infrarot-Lichtsignale sind.13. The method according to any one of the preceding claims, in which D the electromagnetic signals are infrared light signals.
14. Vorrichtung zum Bestimmen der Position, Orientierung und/oder Verformung eines Objektes, mit: 5 a) einem oder mehreren an dem Objekt angeordneten Signalgebern (A-G, M) zum Aussenden elektromagnetischer Signale, wobei die Signalgeber (A-G, M) derart gesteuert werden, daß die Signale voneinander unter- scheidbar sind; b) wenigstens einem zweidimensional auflösenden Lagedetektor (PSD) , der derart ausgestaltet ist, daß die auf ihn projizierten Signale in zweidimensionale Lagekoordinaten umgewandelt werden; und c) einer Auswerteschaltung zum Bestimmen der Position, Orientierung und/oder Verformung des sich bewegenden Objektes aus den Lagekoordinaten.14. Device for determining the position, orientation and / or deformation of an object, with: 5 a) one or more signal transmitters (AG, M) arranged on the object for emitting electromagnetic signals, the signal transmitters (AG, M) being controlled in this way that the signals are distinguishable from each other; b) at least one two-dimensional position detector (PSD), which is designed such that the signals projected onto it are converted into two-dimensional position coordinates; and c) an evaluation circuit for determining the position, orientation and / or deformation of the moving object from the position coordinates.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, mit einer Steuerschaltung zum Steuern der Signalgeber (A-G, M) derart, daß die Signale der Signalgeber (A-G, M) beim Lagedetektor (PSD) zeitlich nacheinander in entsprechenden Zeitfenstern eintreffen.15. The apparatus of claim 14, with a control circuit for controlling the signal generator (A-G, M) such that the signals of the signal generator (A-G, M) arrive at the position detector (PSD) successively in time in corresponding time windows.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, bei welcher jeder Signalgeber (A-G, M) derart ausgestaltet ist, daß er zusammen mit dem Signal eine Zusatzinformation zum Identifizieren des von ihm ausgesandten Signals überträgt.16. The apparatus of claim 13 or 14, wherein each signal generator (A-G, M) is designed such that it transmits, together with the signal, additional information for identifying the signal emitted by it.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei welcher jeder Signalgeber (A-G, M) derart ausgestaltet ist, daß die Zusatzinformation als Codierung in dem von dem Signalgeber (A-G, M) gesendeten Signal enthalten ist.17. The apparatus of claim 16, wherein each signal generator (A-G, M) is designed such that the additional information is encoded in the signal sent by the signal generator (A-G, M).
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei welcher 'jeder Signalgeber (A-G, M) derart ausgestaltet ist, daß die Zusatzinformation dem von dem Signalgeber (A-G, M) gesendeten Signal aufmoduliert ist.18. The apparatus of claim 17, wherein ' each signal generator (AG, M) is designed such that the additional information is modulated onto the signal sent by the signal generator (AG, M).
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, bei welcher der Lagedetektor (PSD) derart ausgestaltet ist, daß er codierte bzw. modulierte Zusatzinformation decodiert bzw. demoduliert.19. The apparatus of claim 17 or 18, wherein the position detector (PSD) is designed such that it decodes or demodulates coded or modulated additional information.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei welcher ferner eine separate Empfangseinheit zum Empfangen der Zusatzinformation vorgesehen ist. 20. Device according to one of claims 15 to 18, in which a separate receiving unit is further provided for receiving the additional information.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, bei welcher ein mit den Signalgebern (A-G, M) gekoppelter Zusatzinformation-Sender zum Senden der Zusatzinformation vorgesehen ist .21. Device according to one of claims 14 to 20, wherein an additional information transmitter coupled to the signal transmitters (A-G, M) is provided for transmitting the additional information.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, bei welcher eine Steuersignal-Übertragungseinheit zum drahtlosen Übertragen des Steuersignals an die Signalgeber (A-G, M) vorgesehen ist, welches das Aussenden der Signalgeber steuert .22. Device according to one of claims 15 to 21, in which a control signal transmission unit for wireless transmission of the control signal to the signal generator (A-G, M) is provided, which controls the transmission of the signal generator.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, bei welcher das Steuersignal optisch, per Funk oder per Ultraschall übertragen wird.23. The apparatus of claim 22, wherein the control signal is transmitted optically, by radio or by ultrasound.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 23, bei welcher wenigstens sechs Signalgeber (A-G) verwendet werden und die Auswerteschaltung derart ausgestaltet ist, daß die Position des sich bewegenden Objektes in Form der drei orthogonalen Koordinaten im Raum und die Orientierung in Form der drei orthogonalen Drehwinkel im Raum bestimmt wird.24. Device according to one of claims 14 to 23, in which at least six signal transmitters (AG) are used and the evaluation circuit is designed such that the position of the moving object in the form of the three orthogonal coordinates in space and the orientation in the form of the three orthogonal angle of rotation in space is determined.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, bei welcher objektabhängig mehr als sechs Signalgeber (A-G, M) verwendet werden, wel- ehe so an dem Objekt angeordnet sind, daß 'in jeder möglichen Position, Orientierung und/oder Verformung des Objektes immer sechs Signale von sechs verschiedenen Signalgebern (A-G, M) auf dem zweidimensionalen Lagedetektor (PSD) abgebildet werden.25. The apparatus of claim 24, in which more than six signal transmitters (AG, M) are used, depending on the object, before being arranged on the object in such a way that ' in every possible position, orientation and / or deformation of the object there are always six signals from six different signal generators (AG, M) are mapped on the two-dimensional position detector (PSD).
26. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die elektromagnetischen Signale Infrarot-Lichtsignale sind.26. The device according to any one of the preceding claims, wherein the electromagnetic signals are infrared light signals.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 26, bei welcher der Lagedetektor (PSD) ein PSD-Detektor ist. 27. The device according to one of claims 14 to 26, wherein the position detector (PSD) is a PSD detector.
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