Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Stand der Technik DE 10 2010 023 461 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Bestimmen von zweidimensionalen Ortskoordinaten eines Zielobjektes bestehend aus einer Zieleinrichtung, einer als Rotationslaser ausgebildeten ersten Messeinrichtung, die einen ersten rotierenden Laserstrahl aussendet, einer als Rotationslaser ausgebildeten zweiten Messeinrichtung, die einen zweiten rotierenden Laserstrahl aussendet, und einer Kontrolleinrichtung mit einem Steuerelement und einem Auswerteelement. Die beiden Rotationslaser und die Zieleinrichtung sind über geeignete Kommunikationsverbindungen mit der Kontrolleinrichtung verbunden. Die Zieleinrichtung umfasst ein Reflektorelement, das am Zielobjekt angebracht ist und die Ortskoordinaten des Zielobjektes markiert, und zwei Empfangselemente, die an den Rotationslasern angebracht sind und die am Reflektorelement reflektierten Laserstrahlen erfassen. Der erste rotierende Laserstrahl wird am Reflektorelement reflektiert und trifft auf das erste Empfangselement der Zieleinrichtung, das beim Empfang des ersten Laserstrahls ein erstes Informationssignal an die Kontrolleinrichtung sendet. Der zweite rotierende Laserstrahl wird am Reflektorelement reflektiert und trifft auf das zweite Empfangselement, das beim Empfang des zweiten Laserstrahls ein zweites Informationssignal an die Kontrolleinrichtung sendet. Über die Informationssignale, die die Empfangselemente an die Kontrolleinrichtung senden, erhält die Kontrolleinrichtung Informationen über die Zeitpunkte, an denen der erste und zweite Laserstrahl von den Empfangselementen erfasst wurden. Die beiden Rotationslaser sind jeweils mit einer Winkelmesseinrichtung ausgestattet. Zu dem Zeitpunkt, an dem die Empfangselemente den jeweiligen Laserstrahl empfangen, wird der aktuelle Winkel des Ro- tationslasers von der Winkelmesseinrichtung erfasst und an die Kontrolleinrichtung übermittelt. Aus den bekannten Ortskoordinaten der beiden Rotationslaser und den erfassten Winkeln zwischen den Rotationslasern und dem Zielobjekt berechnet das Auswerteelement der Kontrolleinrichtung die Ortskoordinaten des Zielobjektes durch Triangulation. Triangulation basiert auf der Grundidee, dass ein Dreieck drei Seiten und drei Innenwinkel aufweist und bei drei bekannten Größen die drei unbekannten Größen des Dreiecks berechnet werden können. Die bekannte Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes weist den Nachteil auf, dass die erste und zweite Messeinrichtung jeweils eine Winkelmesseinrichtung benötigen, die die Komplexität und Kosten der Messeinrichtungen erhöhen. Außerdem eignet sich die bekannte Vorrichtung nur zum Bestimmen von zweidimensionalen Ortskoordinaten innerhalb einer Messebene, dreidimensionale Ortskoordinaten in einem Messraum kön- nen nicht bestimmt werden. Durch die rotierenden Laserstrahlen der beiden Messeinrichtungen ist eine zeitgleiche Messung nicht möglich. Die zeitversetzte Messung führt vor allem bei Zielobjekten, die sich schnell innerhalb der Messebene bewegen, zu Messfehlern bei den Ortskoordinaten des Zielobjektes. Die Bestimmung der Ortskoordinaten durch Triangulation über Wnkelmessungen besitzt außerdem den Nachteil, dass der Messfehler proportional zur Entfernung ist. Vor allem bei großen Entfernungen, beispielsweise grösser als 30 m, ist eine hohe Genauigkeit der Winkelmesseinrichtungen erforderlich, was die Kosten für die Wnkel- messeinrichtungen und damit die bekannte Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten weiter erhöht.

Aus EP 0 717 261 B1 ist eine Vorrichtung zum Bestimmen von dreidimensionalen Ortskoor- dinaten eines Zielobjektes in einem dreidimensionalen Messraum mittels Triangulation bekannt. Der dreidimensionale Messraum wird in eine zweidimensionale Messebene und eine zur Messebene senkrechte Richtung unterteilt. Die Vorrichtung besteht aus einer Zieleinrichtung, die das Zielobjekt markiert, einer horizontalen Vorrichtung zum Bestimmen der zweidimensionalen Ortskoordinaten des Zielobjektes in der Messebene und einer vertikalen Vor- richtung zum Bestimmen der Ortskoordinate des Zielobjektes in der senkrechten Richtung sowie einer Kontrolleinrichtung mit einem Steuerelement und einem Auswerteelement. Die horizontale Vorrichtung umfasst eine als Rotationslaser ausgebildete erste Messeinrichtung, die einen in der Messebene rotierenden ersten Laserstrahl aussendet, und eine als Rotationslaser ausgebildete zweite Messeinrichtung, die einen in der Messebene rotierenden zwei- ten Laserstrahl aussendet; die vertikale Vorrichtung umfasst eine als Rotationslaser ausgebildete dritte Messeinrichtung, die einen zur Messebene senkrechten, rotierenden dritten Laserstrahl aussendet. Die Rotationslaser und die Zieleinrichtung sind über geeignete Kommunikationsverbindungen mit der Kontrolleinrichtung verbunden. Jeder Rotationslaser umfasst ein Sendeelement, das den Laserstrahl aussendet, einen Transmitter, der ein Informations- Signal aussendet, und eine Referenzmarke, die einen Referenzwinkel festlegt. Wenn der rotierende Laserstrahl die Referenzmarke passiert, sendet der Transmitter ein Informationssig- nal aus, das an die Zieleinrichtung übermittelt und von einem Detektor der Zieleinrichtung er- fasst wird. Die Zieleinrichtung umfasst einen ersten Detektor zum Empfangen der Laserstrahlen und einen zweiten Detektor zum Empfangen der Informationssignale. Der erste Detektor weist mehrere Empfangselemente auf, die beim Auftreffen eines Laserstrahls einen elektrischen Puls aussenden; der elektrische Puls wird über die Kommunikationsverbindung an die Kontrolleinrichtung übermittelt. Die Kontrolleinrichtung bestimmt aus den Zeitpunkten, an denen die Laserstrahlen und die Informationssignale von der Zieleinrichtung erfasst werden, die Winkel des Zielobjektes.

Die bekannte Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes weist den Nachteil auf, dass eine hohe Genauigkeit bei den Winkelmessungen die Anforderungen an die Drehwinkelgeschwindigkeiten erhöht. Vor allem bei großen Entfernungen, beispielsweise grösser als 30 m, muss die Drehwinkelgeschwindigkeit sehr gleichmäßig sein. Die hohe Konstanz der Drehwinkelgeschwindigkeit erfordert eine aufwändige Mechanik mit hoher Genauigkeit, was die Mechanik einerseits sehr kostspielig und andererseits sehr fehleranfällig macht. Durch die rotierenden Laserstrahlen ist eine zeitgleiche Messung nicht möglich. Die zeitversetzte Messung führt vor allem bei Zielobjekten, die sich schnell innerhalb des Messgebietes bewegen, zu Messfehlern bei den Ortskoordinaten des Zielobjektes.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Entwicklung eines Verfahrens zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes in zwei oder drei Dimensionen, das für die Anwendung in Innenräumen geeignet ist und genaue Ortskoordinaten für das Zielobjekt liefert. Außerdem soll eine für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes entwickelt werden, wobei die Ortskoordinaten mit hoher Genauigkeit bei begrenztem apparativem Aufwand bestimmt werden kön- nen.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 und bei der eingangs genannten Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß ist das Verfahren zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes in einem Messgebiet in mindestens zwei Dimensionen dadurch gekennzeichnet, dass: ^■ in einem ersten Schritt am Zielobjekt eine Zieleinrichtung mit einem Reflektorelement positioniert wird und ein erster Grundabstand zwischen einer ersten und zweiten Laserdis- tanzmesseinrichtung ermittelt wird,

^■ in einem zweiten Schritt ein erster Abstand von der ersten Laserdistanzmesseinrichtung zum Zielobjekt und ein zweiter Abstand von der zweiten Laserdistanzmesseinrichtung zum Zielobjekt durch Laserdistanzmessung mittels der Laserdistanzmesseinnchtungen ermittelt werden, und

^■ in einem dritten Schritt die Ortskoordinaten des Zielobjektes aus den Abständen mittels einer Kontrolleinrichtung berechnet werden. Die Ortskoordinaten eines Zielobjektes mit Hilfe von Laserdistanzmesseinnchtungen zu bestimmen, hat den Vorteil, dass keine teure Winkelmesseinrichtung erforderlich ist und die Ortskoordinaten dennoch mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden können. Die Laserdistanzmessung ist eine etablierte Technologie und Laserdistanzmesseinnchtungen weisen gegenüber Totalstationen, die neben einer Laserdistanzmesseinrichtung eine Winkelmess- einrichtung aufweisen, einen Kostenvorteil auf. Die beiden Teilschritte des ersten Schrittes, Positionieren der Zieleinrichtung am Zielobjekt und Ermitteln des ersten Grundabstandes, können in beliebiger Reihenfolge oder gleichzeitig ausgeführt werden.

In einer Weiterentwicklung des Verfahrens wird im ersten Schritt zusätzlich ein zweiter Grundabstand zwischen der ersten und einer dritten Laserdistanzmesseinrichtung und/oder ein dritter Grundabstand zwischen der zweiten und der dritten Laserdistanzmesseinrichtung ermittelt, im zweiten Schritt wird zusätzlich ein dritter Abstand von der dritten Laserdistanzmesseinrichtung zum Zielobjekt durch Laserdistanzmessung mittels der dritten Laserdistanzmesseinrichtung ermittelt und im dritten Schritt werden die Ortskoordinaten des Zielobjektes zusätzlich aus dem dritten Abstand sowie dem zweiten und/oder dritten Grundabstand berechnet. Durch den Einsatz einer dritten Laserdistanzmesseinrichtung kann die Genauigkeit, mit der die zweidimensionalen Ortskoordinaten in einer Messebene bestimmt werden, erhöht werden. Die Genauigkeit nimmt ab, je näher das Zielobjekt an der Verbindungslinie zwischen der ersten und zweiten Laserdistanzmesseinrichtung angeordnet ist. Die dritte Laserdistanzmesseinrichtung ermöglicht außerdem die Bestimmung von dreidimensionalen Ortskoordinaten eines Zielobjektes in einem Messraum. Dabei entscheidet die Geometrie der Zieleinrichtung, die Anordnung der Laserdistanzmesseinnchtungen im Messgebiet sowie die Aufweitung und/oder Bewegung der Laserstrahlen, ob die Vorrichtung zum Bestimmen von zwei- oder dreidimensionalen Ortskoordinaten eingesetzt werden kann. Zur Bestimmung zweidimensionaler Ortskoordinaten wird eine Zieleinrichtung in Form eines Kreiszylinders oder eines Kreiszylinderabschnitts eingesetzt und zur Bestimmung dreidimensionaler Ortskoordinaten wird eine kugelförmige oder kugelabschnittsförmige Zieleinrichtung eingesetzt. In dem speziellen Fall, dass die drei Laserdistanzmesseinrichtungen ein rechtwinkliges Dreieck bilden, ist neben dem ersten Grundabstand zwischen der ersten und zweiten Laserdis- tanzmesseinrichtung nur ein weiterer Grundabstand erforderlich, entweder der zweite Grundabstand zwischen der ersten und der dritten Laserdistanzmesseinrichtung oder der dritte Grundabstand zwischen der zweiten und der dritten Laserdistanzmesseinrichtung. In allen anderen Fällen, in denen die drei Laserdistanzmesseinrichtungen kein rechtwinkliges Dreieck bilden, sind der zweite und dritte Grundabstand für die Bestimmung der Ortskoordinaten erforderlich und werden im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt.

Bevorzugt wird der erste, zweite und/oder dritte Grundabstand durch Laserdistanzmessung mittels der ersten, zweiten und/oder dritten Laserdistanzmesseinrichtung ermittelt. Da die Abstände zum Zielobjekt von den Laserdistanzmesseinrichtungen durch Laserdistanzmessung bestimmt werden, ist es vorteilhaft, auch die Grundabstände zwischen den Laserdistanzmesseinrichtungen durch Laserdistanzmessung zu bestimmen. Gegenüber mechanischen Abstandhaltern mit Messskala bietet die Laserdistanzmessung den Vorteil einer grö- ßeren Reichweite. Außerdem lässt sich die Laserdistanzmessung der Grundabstände einfacher in einen automatisierten Ablauf der Verfahrensschritte integrieren.

Besonders bevorzugt wird von jeder Laserdistanzmesseinrichtung eine Laserdistanzmessung zu den anderen Laserdistanzmesseinrichtungen ausgeführt und die Grundabstände zwischen den Laserdistanzmesseinrichtungen werden aus mehreren Distanzwerten gemit- telt. Durch Mittelung der Grundabstände aus mehreren Distanzwerten werden die Genauigkeit der Grundabstände und damit die Genauigkeit der Ortskoordinaten des Zielobjektes erhöht.

Bevorzugt wird die Laserdistanzmessung von der ersten, zweiten und/oder dritten Laserdistanzmesseinrichtung zum Zielobjekt von der Kontrolleinrichtung zeitgleich ausgelöst. Das zeitgleiche Auslösen der Laserdistanzmessungen hat den Vorteil, dass Messfehler vor allem bei sich schnell bewegenden Zielobjekten verringert werden.

Insbesondere zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Vorrichtung zum Bestimmen der Ortskoordinaten eines Zielobjektes in einem Messgebiet in mindestens zwei Dimensionen:

■ eine Zieleinrichtung mit einem Reflektorelement, das die Ortskoordinaten des Zielobjektes festlegt,

^■ eine erste Laserdistanzmesseinrichtung mit einem ersten Sendeelement, das einen ersten Laserstrahl aussendet, einem ersten Empfangselement, das einen vom Reflektorelement zumindest teilweise reflektierten ersten Laserstrahl als ersten Empfangsstrahl empfängt, und einem ersten Kontrollelement, ^■ eine zweite Laserdistanzmesseinnchtung mit einem zweiten Sendeelement, das einen zweiten Laserstrahl aussendet, einem zweiten Empfangselement, das einen vom Reflektorelement zumindest teilweise reflektierten zweiten Laserstrahl als zweiten Empfangsstrahl empfängt, und einem zweiten Kontrollelement, und

■ eine Kontrolleinrichtung mit einem Steuerelement zum Steuern der Laserdistanzmessein- richtungen und einem Auswerteelement zum Berechnen der Ortskoordinaten des Zielobjektes.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, die Ortskoordinaten eines Zielobjektes ohne Winkelmesseinrichtung mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Dadurch, dass keine Winkelmesseinrichtung erforderlich ist, kann eine kostengünstige Vorrichtung realisiert werden, die die Ortskoordinaten des Zielobjektes mit hoher Genauigkeit messen kann. Laserdis- tanzmesseinrichtungen weisen gegenüber Totalstationen mit einer Wnkelmesseinrichtung einen Kostenvorteil auf.

Bevorzugt ist eine dritte Laserdistanzmesseinnchtung vorgesehen mit einem dritten Sende- element, das einen dritten Laserstrahl aussendet, einem dritten Empfangselement, das einen vom Reflektorelement zumindest teilweise reflektierten dritten Laserstrahl als dritten Empfangsstrahl empfängt, und einem dritten Kontrollelement. Die dritte Laserdistanzmesseinnchtung erhöht beim Bestimmen von zweidimensionalen Ortskoordinaten in einer Messebene die Genauigkeit, mit der die Ortskoordinaten bestimmt werden können, und ermöglicht es, dreidimensionale Ortskoordinaten zu bestimmen. Dabei entscheidet die Geometrie der Zieleinrichtung, die Anordnung der Laserdistanzmesseinrichtungen sowie die Aufweitung und/oder Bewegung der Laserstrahlen, ob die Vorrichtung zum Bestimmen von zwei- oder dreidimensionalen Ortskoordinaten eingesetzt werden kann. Je mehr Laserdistanzmesseinrichtungen verwendet werden, umso genauer können die Ortskoordinaten des Zielobjektes bestimmt werden und das Problem abgeschatteter Sichtlinien von den Laserdistanzmesseinrichtungen zur Zieleinrichtung wird gelöst. Bei zweidimensionalen Ortskoordinaten in der Messebene breiten sich die drei Laserstrahlen parallel zur Messebene aus. Um dreidimensionale Ortskoordinaten im Raum zu bestimmen, muss sich mindestens ein Laserstrahl nichtparallel zu einer Ebene ausbreiten. Bevorzugt weist die erste, zweite und/oder dritte Laserdistanzmesseinnchtung eine Reflexionsfläche zum Reflektieren des ersten, zweiten und/oder dritten Laserstrahls auf. Die Grundabstände zwischen den Laserdistanzmesseinrichtungen können mit Hilfe der Reflexionsflächen bestimmt werden. Besonders bevorzugt ist an jeder Laserdistanzmesseinnchtung eine Reflexionsfläche vorgesehen und die Grundabstände zwischen den Laserdistanzmess- einrichtungen können aus mehreren Distanzwerten gemittelt werden, wodurch die Genauigkeit der Grundabstände erhöht wird. In einer ersten Variante weist die erste, zweite und/oder dritte Laserdistanzmesseinrichtung eine Strahlformungsoptik auf, die den ersten, zweiten und/oder dritten Laserstrahl mit einem Öffnungswinkel grösser als 80° aufweitet. Dabei kann die Aufweitung der Laserstrahlen in einer oder zwei Richtungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen erfolgen. Die Aufweitung in einer Richtung erzeugt einen Linienstrahl, der für die Bestimmung zweidimensionaler Ortskoordinaten geeignet ist, und die Aufweitung in zwei Richtungen erzeugt einen kugelsegmentartig aufgeweiteten Laserstrahl für die Bestimmung dreidimensionaler Ortskoordinaten. Die Aufweitung der Laserstrahlen durch Strahlformungsoptiken bietet die Möglichkeit, ruhende Laserdistanzmesseinrichtungen einzusetzen. Bei ruhenden Laserdis- tanzmesseinrichtungen können die Laserdistanzmessungen zeitgleich ausgelöst werden, was bei sich schnell bewegenden Zielobjekten vorteilhaft ist und Messfehler reduziert. Die Laserdistanzmesseinrichtungen werden außerhalb des Messgebietes oder am Rand des Messgebietes angeordnet und so ausgerichtet, dass die aufgeweiteten Laserstrahlen das gesamte Messgebiet erfassen können. Die Aufweitung der Laserstrahlen mit einem Öff- nungswinkel grösser als 80° eignet sich vor allem für die Bestimmung zweidimensionaler Ortskoordinaten. Wird der Laserstrahl kugelsegmentartig in zwei senkrechten Richtungen jeweils um einen Öffnungswinkel grösser als 80° aufgeweitet, besteht bei einer begrenzten Leistung des Laserstrahls die Gefahr, dass die Leistungsdichte des Empfangsstrahls für die Auswertung zu gering ist. Wenn eine ausreichende Leistung für den Laserstrahl verfügbar ist, kann ein kugelsegmentartig aufgeweiteter Laserstrahl mit Öffnungswinkeln grösser als 80° zur Bestimmung dreidimensionaler Ortskoordinaten eingesetzt werden.

Unter dem Begriff "Strahlformungsoptik" werden sämtliche strahlformenden optischen Elemente, die einen Laserstrahl aufweiten, kollimieren oder fokussieren, zusammengefasst. Die Strahlformungsoptik kann aus einem optischen Element, in das eine oder mehrere optische Funktionen integriert sind, oder aus mehreren nacheinander angeordneten optischen Elementen bestehen. Als Strahlformungsoptiken zur Aufweitung eines Laserstrahls eignen sich Zylinderlinsen, Kegelspiegel und ähnliche optische Elemente.

Besonders bevorzugt weitet die Strahlformungsoptik den ersten, zweiten und/oder dritten Laserstrahl in einer Richtung im Wesentlichen parallel zur Messebene auf. Dabei kollimiert oder fokussiert die Strahlformungsoptik den ersten, zweiten und/oder dritten Laserstrahl besonders bevorzugt in einer zur Messebene im Wesentlichen senkrechten Richtung. Diese Strahlformungsoptik eignet sich vor allem für die Bestimmung zweidimensionaler Ortskoordinaten und hat den Vorteil, dass die verfügbare Leistung des Laserstrahls optimal genutzt wird. Bei der Bestimmung von zweidimensionalen Ortskoordinaten in der Messebene ist in der zur Messebene senkrechten Richtung keine Aufweitung der Laserstrahlen erforderlich. Die begrenzte Leistung des Laserstrahls wird in der Messebene verteilt. Ohne besondere Si- cherheitsvorkehrungen dürfen Laserquellen der Laserklasse 2 eine maximale Leistung von 5 mW aufweisen. Wird der Laserstrahl zu stark aufgeweitet, besteht die Gefahr, dass die Leistungsdichte des Empfangsstrahls zu gering ist, um vom Empfangselement zuverlässig erkannt und ausgewertet zu werden. In einer zweiten Variante weist die erste, zweite und/oder dritte Laserdistanzmesseinrichtung eine Motoreinheit auf, wobei die Motoreinheit den ersten, zweiten und/oder dritten Laserstrahl um eine zur Messebene senkrechte Drehachse oder um einen Drehpunkt bewegt. Die Drehung der Laserstrahlen bietet sich an, wenn die Leistungsdichte der Laserstrahlen nach der Aufweitung zu gering ist, um einen für die Laserdistanzmessung ausreichend starken Empfangsstrahl zu erhalten. Die Drehung der Laserstrahlen um die zur Messebene senkrechte Drehachse kann als rotierende, scannende oder trackende Bewegung ausgeführt werden. Dabei werden die Laserstrahlen bei der rotierenden Bewegung kontinuierlich um die Drehachse gedreht, bei der scannenden Bewegung um die Drehachse periodisch hin und her bewegt und bei der trackenden Bewegung folgen die Laserstrahlen der Zieleinrichtung. Die Drehung der Laserstrahlen um einen Drehpunkt ist für die Bestimmung dreidimensionaler Ortskoordinaten vorgesehen und wird bevorzugt mit einer Trackingeinrichtung, die die bewegte Zieleinrichtung verfolgt, eingesetzt. Die Motoreinheit der zweiten Variante kann mit einer Strahlformungsoptik, die die Laserstrahlen kollimiert oder fokussiert, kombiniert werden. In einer dritten Variante weist die erste, zweite und/oder dritte Laserdistanzmesseinrichtung eine Strahlformungsoptik und eine Motoreinheit auf, wobei die Strahlformungsoptik den ersten, zweiten und/oder dritten Laserstrahl mit einem Öffnungswinkel bis 10° aufweitet und die Motoreinheit den ersten, zweiten und/oder dritten aufgeweiteten Laserstrahl um eine zur Messebene senkrechte Drehachse oder um einen Drehpunkt bewegt. Die Aufweitung der Laserstrahlen und die Drehung um eine Drehachse (zweidimensional) oder einen Drehpunkt (dreidimensional) lassen sich kombinieren. Die Laserstrahlen werden von einer Strahlformungsoptik bis zu 10° aufgeweitet und die aufgeweiteten Laserstrahlen werden von einer Motoreinheit um eine Drehachse oder um einen Drehpunkt bewegt. Die Kombination von Strahlaufweitung und Drehung ermöglicht die Detektion von Empfangsstrahlen mit einer aus- reichend starken Leistungsdichte für den Empfangsstrahl. Die Aufweitung der Laserstrahlen kann in einer oder zwei Richtungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen erfolgen. Die Drehung der Laserstrahlen kann als rotierende, scannende oder trackende Bewegung ausgeführt werden.

Das Reflektorelement ist in einer bevorzugten Ausführung als rotationssymmetrischer Körper oder als Abschnitt eines rotationssymmetrischen Körpers ausgebildet. Für zweidimensionale Messungen eignen sich Kreiszylinder oder Kreiszylinderabschnitte als Reflektorelement und für dreidimensionale Messungen eignen sich Kugeln oder Kugelabschnitte. Ein rotationssymmetrischer Körper hat den Vorteil, dass der Abstand von der Oberfläche zum Mittelpunkt aus allen Richtungen identisch ist. Die Ortskoordinaten des Zielobjektes liegen auf der Zylinderachse des Kreiszylinders oder im Mittelpunkt der Kugel. Der Radius des Kreiszylinders oder der Kugel ist in der Kontrolleinrichtung gespeichert oder wird vom Bediener in die Kontrolleinrichtung eingegeben. Für die Berechnung der Ortskoordinaten wird der Radius der Zieleinrichtung zur gemessenen Distanz zwischen der Laserdistanzmesseinnchtung und der Zieleinrichtung addiert. Außerdem wird die Verschiebung zwischen der Laserdistanzmesseinnchtung und dem Koordinatensystem der Vorrichtung berücksichtigt. In einer bevorzugten Ausführung ist die Zieleinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem handgeführten Werkzeuggerät angebracht. Während der Bearbeitung mit dem handgeführten Werkzeuggerät können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die aktuellen Ortskoordinaten des Werkzeuggerätes ermittelt werden.

Ausführungsbeispiele Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematischer und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, der Zeichnung sowie den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln für sich als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegen- stand. Bei gegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.

Es zeigen: FIGN. 1A, B eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen von zweidimensionalen Ortskoordinaten eines Zielobjektes bestehend aus einer Zieleinrichtung, einer ersten und zweiten Laserdistanzmess- einrichtung und einem Handteil (FIG. 1A) sowie eine schematische Darstel- lung der geometrischen Verhältnisse zum Bestimmen der Ortskoordinaten

(FIG. 1 B);

FIG. 2 die Vorrichtung der FIG. 1 mit der Zieleinrichtung, den Laserdistanzmessein- richtungen und dem Handteil in Form eines Blockdiagramms; und

FIG. 3 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Be- stimmen von Ortskoordinaten eines Zielobjektes in drei Dimensionen in einer schematischen Darstellung bestehend aus einer Zieleinrichtung und drei La- serdistanzmesseinrichtungen.

FIGN. 1 A, B zeigen eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Bestimmen der Ortskoordinaten X _M , YM eines Zielobjektes 1 1 in einem Messgebiet 12. Das Messgebiet 12 ist als Fläche ausgebildet und die Ortskoordinaten X _M , YM des Zielobjektes 11 sind zweidimensional.

FIG. 1A zeigt die wesentlichen Komponenten der Vorrichtung 10 in einer schematischen Darstellung. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Zieleinrichtung 13, eine erste Laserdistanz- messeinrichtung 14, eine zweite Laserdistanzmesseinrichtung 15 und ein Handteil 16 mit ei- ner Kontrolleinrichtung 17. Alternativ zur in FIG. 1A gezeigten Trennung von Zieleinrichtung 13 und Handteil 16 kann die Zieleinrichtung in das Handteil integriert sein.

Die Position des Zielobjektes 1 1 in der Messebene 12 wird mit Hilfe der Zieleinrichtung 13 markiert. Die Zieleinrichtung 13 weist ein Reflektorelement 18 zum Reflektieren von Laserstrahlen der ersten und zweiten Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15 auf. Das Reflektorele- ment 18 ist in der in FIG. 1A gezeigten Ausführung als Kreiszylinder ausgebildet und die

Ortskoordinaten des Zielobjektes 11 liegen auf der Zylinderachse 19 des Reflektorelementes 18. Für die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ist wichtig, dass die Ortskoordinaten des Zielobjektes 1 1 , die im Mittelpunkt angeordnet sind, zu jedem Punkt auf der Oberfläche den gleichen Abstand aufweisen. Diese Bedingung ist in der Ebene durch einen Kreis bzw. einen Kreisabschnitt erfüllt. Der Abstand von der Oberfläche des Reflektorelementes 18 zum Zielobjekt 1 1 ist in der Kontrolleinrichtung 17 gespeichert oder wird vom Bediener in die Kontrolleinrichtung 17 eingegeben. Das Reflektorelement 18 kann an einer Messlatte 20 befestigt sein und wird vom Bediener am Zielobjekt 1 1 positioniert. Um die Zylinderachse 19 des Reflektorelementes 18 senkrecht zur Messebene 12 auszurichten, kann eine Nivelliereinrich- tung, beispielsweise in Form einer Libelle oder eines anderen Neigungssensors, in die Messlatte 20 integriert sein. Alternativ zur Messlatte 20 kann die Zieleinrichtung 13 an einer Wand oder einer Decke befestigt sein, auf einen Boden gestellt werden oder beispielsweise an einem Fahrzeug oder einem Werkzeuggerät befestigt sein. Die Bedienung der Vorrichtung 10 erfolgt über das Handteil 16, das der Bediener in der

Hand hält. Die erste und zweite Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15 führen eine oder mehrere Distanzmessungen durch und übermitteln die berechneten Distanzwerte an die Kontrolleinrichtung 17 im Handteil 16. Die Laserdistanzmesseinrichtungen 14, 15 sind über Kommunikationsverbindungen 21 , 22 mit der Kontrolleinrichtung 17 verbunden. Das Handteil 16 weist neben der Kontrolleinrichtung 17 eine Anzeigeeinrichtung 23 mit einem Display 24 sowie eine Bedienungseinrichtung 25 auf. Die Kontrolleinrichtung 17 der Vorrichtung 10 ist im Handteil 16 angeordnet und mit den Laserdistanzmesseinrichtungen 14, 15 über die Kommunikationsverbindungen 21 , 22 verbunden. Alternativ kann die Kontrolleinrichtung 17 in der ersten oder zweiten Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15 angeordnet sein. FIG. 1 B zeigt die geometrischen Abmessungen zwischen der Zieleinrichtung 13 und den Laserdistanzmesseinrichtungen 14, 15, die zum Bestimmen der zweidimensionalen Ortskoordinaten des Zielobjektes 1 1 herangezogen werden. Die erste und zweite Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15 sind voneinander beabstandet so zum Zielobjekt 1 1 angeordnet, dass das Zielobjekt 1 1 nicht auf der Verbindungslinie zwischen den Laserdistanzmesseinrichtungen 14, 15 liegt; anderenfalls wird eine dritte Laserdistanzmesseinrichtung ergänzt, die die Genauigkeit erhöht, wenn das Zielobjekt 1 1 nahe der Verbindungslinie positioniert ist. Die zweidimensionalen Ortskoordinaten X _M , YM des Zielobjektes 1 1 werden aus einem Grundabstand Li zwischen der ersten und zweiten Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15, einem ersten Abstand Di von der ersten Laserdistanzmesseinrichtung 14 zum Zielobjekt 1 1 und einem zwei- ten Abstand D ₂ von der zweiten Laserdistanzmesseinrichtung 15 zum Zielobjekt 1 1 bestimmt.

Der Grundabstand L kann durch Laserdistanzmessung der ersten und/oder der zweiten Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15 ermittelt werden. Um die Genauigkeit der Laserdistanzmessung zu erhöhen, können beide Laserdistanzmesseinrichtungen 14, 15 eine Laserdis- tanzmessung ausführen und die gemessenen Abstände werden gemittelt. An der ersten und/oder zweiten Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15 ist eine Reflexionsfläche angebracht, die den Laserstrahl der anderen Laserdistanzmesseinrichtung 15, 14 reflektiert. FIG. 1 A zeigt eine Ausführung mit einer ersten Reflexionsfläche 26 an der ersten Laserdistanzmesseinrichtung 14 und einer zweiten Reflexionsfläche 27 an der zweiten Laserdistanzmessein- richtung 15. Die erste und zweite Reflexionsfläche 26, 27 sind kreiszylinderförmig oder als Abschnitt eines Kreiszylinders ausgebildet, für Vorrichtungen zur Bestimmung dreidimensio- naler Ortskoordinaten eignen sich Kugeln oder Kugelabschnitte als Reflexionsflächen zur Ermittlung der Grundabstände. Alternativ können das erste und zweite Laserdistanzmessein- richtung 14, 15 auf einem mechanischen Abstandhalter mit Messskala angebracht sein. Der Bediener liest den Abstand auf der Messskala ab und gibt ihn über eine Bedienungseinrich- tung 25 ein.

Nach der Ermittlung des Grundabstandes U führen die erste und zweite Laserdistanzmess- einrichtung 14, 15 jeweils eine Laserdistanzmessung zum Zielobjekt 1 1 durch. Die Laserdistanzmessungen zum Zielobjekt 1 1 können gleichzeitig oder zeitlich versetzt ausgeführt werden. Das gleichzeitige Auslösen der Laserdistanzmessungen hat den Vorteil, dass Messfeh- ler vor allem bei sich schnell bewegenden Zielobjekten verringert werden. Die ermittelten Abstände Li, D^ D ₂ werden an die Kontrolleinrichtung 17 übermittelt, die die zweidimensionalen Ortskoordinaten X _M , YM des Zielobjektes 1 1 berechnet. Anschließend können die Ortskoordinaten X _M , YM des Zielobjektes 1 1 an die Anzeigeeinrichtung 23 übermittelt werden, die die Ortskoordinaten für den Bediener auf dem Display 24 darstellt. Die Distanzmessungen der ersten und zweiten Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15 erfolgen in dem internen Koordinatensystem der Vorrichtung 10 und müssen für eine absolute Bestimmung der Ortskoordinaten des Zielobjektes 1 1 mit einem äußeren Koordinatensystem verknüpft werden.

Neben der Bestimmung von Ortskoordinaten eines vorhandenen Zielobjektes kann die Vorrichtung 10 auch zum Auffinden von Ortskoordinaten verwendet werden. Dazu führt der Be- nutzer ein mit einer Messspitze oder ähnlichem ausgestattetes Reflektorelement, das auch im Handteil integriert sein kann, über eine Messfläche und sucht vorgegebene Ortskoordinaten. Die Ortskoordinaten können im Handteil manuell eingegeben werden oder sie werden über eine Kommunikationsverbindung von einem anderen Gerät an die Vorrichtung übermittelt. FIG. 2 zeigt die erste und zweite Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15, die Zieleinrichtung 13 und das Handteil 16 der Vorrichtung 10 in Form eines Blockdiagramms. Die erste und zweite Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15 weisen einen koaxialen Aufbau auf und umfassen ein als Laserdiode ausgebildetes Sendeelement 31 , ein als Fotodetektor ausgebildetes Empfangselement 32, eine Strahlteilungsoptik 33, eine Strahlformungsoptik 34 und ein Kontrol- lelement 35. Ein Index ".1 " kennzeichnet die Komponenten der ersten Laserdistanzmesseinrichtung 14 und ein Index ".2" die Komponenten der zweiten Laserdistanzmesseinrichtung 15. Die Laserdiode 31 sendet einen Laserstrahl 36 aus, der auf das Zielobjekt 1 1 gerichtet ist. Ein am Reflektorelement 18 der Zieleinrichtung 13 zumindest teilweise reflektierter Laserstrahl wird als Empfangsstrahl 37 vom Fotodetektor 32 detektiert. Das Kontrollelement 35 ist mit der Laserdiode 31 und dem Fotodetektor 32 verbunden und bestimmt aus dem Empfangsstrahl 37 die Distanz der Laserdistanzmesseinrichtungen 14, 1 5 zur Zieleinrichtung 13. Bei dem in FIG. 2 dargestellten koaxialen Aufbau der Laserdistanzmesseinrichtungen 14, 15 wird der von der Laserdiode 31 ausgesandte Laserstrahl 36 mit Hilfe der Strahlteilungsoptik 33 räumlich vom Empfangsstrahl 37 getrennt. Die Strahlteilungsoptik 33 ist im Strahlengang des Laserstrahls 36 zwischen der Laserdiode 31 und der Strahlformungsoptik 34 und im Strahlengang des Empfangsstrahls 37 zwischen der Strahlformungsoptik 34 und dem Fotodetektor 32 angeordnet. Die Strahlformungsoptik 34 kann als einzelnes optisches Element oder als System aus mehreren optischen Elementen ausgebildet sein und formt sowohl den Laserstrahl 36 als auch den Empfangsstrahl 37. Im Unterschied zu bekannten Laserdistanzmesseinrichtungen, die einen fokussierten punktförmigen Laserstrahl auf das Zielobjekt richten, ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 erforderlich, dass der Laserstrahl 36 einen größeren Winkelbereich erfasst. Dies kann durch eine Aufweitung des Laserstrahls 36 in der Messebene 12 oder durch eine Drehung des Laserstrahls 36 in der Messebene 12 erzielt werden. FIG. 2 zeigt Laserdistanzmesseinrichtungen 14, 15, bei denen die Laserstrahlen 36 mittels einer geeigneten Strahlformungsoptik 34 aufgeweitet werden. Als Strahl- formungsoptiken 34 eignen sich unter anderem Zylinderlinsen und Kegeloptiken.

Die Kommunikation zwischen der Kontrolleinrichtung 17 und der Laserdistanzmesseinrich- tung 14, 15 erfolgt über die Kommunikationsverbindung 21 , 22, die ein erstes Sende- und Empfangselement 38 in der Laserdistanzmesseinrichtung 14, 15 mit einem zweiten Sende- und Empfangselement 39 im Handteil 16 verbindet. Die Berechnungen des Grundabstandes Li und der Abstände D^ D ₂ erfolgen in den Kontrollelementen 35.1 , 35.2 der Laserdistanzmesseinrichtungen 14, 15. Die Abstände Li , D^ D ₂ werden über die Kommunikationsverbindungen 21 , 22 an die Kontrolleinrichtung 17 übermittelt. Die Kontrolleinrichtung 17 umfasst ein Steuerelement 1 7.1 zur Steuerung der Laserdistanzmesseinrichtungen 14, 15 und ein Auswerteelement 1 7.2 zum Berechnen der Ortskoordinaten des Zielobjektes 1 1 . Im Auswer- teelement 17.2 der Kontrolleinrichtung 17 werden aus den Abständen Li , D^ D ₂ die Ortskoordinaten des Zielobjektes 1 1 im internen Koordinatensystem der Vorrichtung 10 berechnet und ggfs. in ein externes Koordinatensystem transformiert. Bei ruhenden Zielobjekten können die Ortskoordinaten an die Anzeigeeinrichtung 23 übermittelt und auf dem Display 24 angezeigt werden. FIG. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 50 zum Bestimmen der Ortskoordinaten X _M , YM, Z eines Zielobjektes 51 in einem Messgebiet 52. Die Vorrichtung 50 unterscheidet sich von der Vorrichtung 10 der FIGN . 1A, B dadurch, dass drei Laserdistanzmesseinrichtungen vorgesehen sind. Durch den Einsatz einer dritten Laserdistanzmesseinrichtung kann die Genauigkeit, mit der zweidimensionale Ortskoordinaten in ei- ner Messebene bestimmt werden, erhöht werden. Die Genauigkeit nimmt ab, je näher das Zielobjekt an der Verbindungslinie zwischen der ersten und zweiten Laserdistanzmessein- richtung angeordnet ist. Die dritte Laserdistanzmesseinrichtung ermöglicht außerdem die Bestimmung von dreidimensionalen Ortskoordinaten eines Zielobjektes in einem Messraum.

Die Vorrichtung 50 umfasst eine Zieleinrichtung 53, eine erste Laserdistanzmesseinrichtung 54, eine zweite Laserdistanzmesseinrichtung 55 und eine dritte Laserdistanzmesseinrichtung 56 sowie das Handteil 16 mit der Kontrolleinrichtung 17. Die Geometrie der Zieleinrichtung 53 und die Anordnung der Laserdistanzmesseinnchtungen 54, 55, 56 entscheidet, ob die Vorrichtung 50 zum Bestimmen von zwei- oder dreidimensionalen Ortskoordinaten eingesetzt werden kann. Zur Bestimmung dreidimensionaler Ortskoordinaten wird eine kugelförmige oder kugelabschnittsförmige Zieleinrichtung 53 eingesetzt. Die Kugel weist auf der Au- ßenseite ein Reflektorelement 57 auf und die Ortskoordinaten des Zielobjektes 51 liegen im Kugelmittelpunkt des Reflektorelementes 57.

Die zwei- oder dreidimensionalen Ortskoordinaten X _M , YM, Z _m des Zielobjektes 51 werden aus den Grundabständen Li, L ₂ , L ₃ zwischen den Laserdistanzmesseinnchtungen 54, 55, 56 und den Abständen D ₂ , D ₃ der Laserdistanzmesseinnchtungen 54, 55, 56 zum Zielobjekt 51 bestimmt. FIG. 3 zeigt eine Anordnung, in der die Laserdistanzmesseinnchtungen 54, 55, 56 kein rechtwinkliges Dreieck bilden. In dem speziellen Fall, dass die drei Laserdistanzmesseinnchtungen 54, 55, 56 ein rechtwinkliges Dreieck bilden würden, wäre neben dem ersten Grundabstand L zwischen der ersten und zweiten Laserdistanzmesseinrichtung 54, 55 nur ein weiterer Grundabstand erforderlich, entweder der zweite Grundabstand L ₂ zwischen der ersten und dritten Laserdistanzmesseinrichtung 54, 56 oder der dritte Grundabstand L ₃ zwischen der zweiten und dritten Laserdistanzmesseinrichtung 55, 56. In allen anderen Fällen sind der zweite und dritte Grundabstand L ₂ , L ₃ erforderlich und werden im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt.

Da die Laserdistanzmesseinnchtungen 54, 55, 56 im Messgebiet 52 ortsfest angeordnet sind, müssen die Laserstrahlen das Messgebiet 52 erfassen können. Die Aufweitung der Laserstrahlen kann durch strahlformende optische Elemente erfolgen, die einen punktförmigen Laserstrahl in einer oder in zwei Richtungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung aufweiten. Alternativ kann der Bereich, den ein Laserstrahl erfasst, durch eine rotierende, scannende oder trackende Bewegung des Laserstrahls vergrößert werden. Die rotierende oder scan- nende Bewegung der Laserstrahlen eignet sich vor allem für die Bestimmung zweidimensionaler Ortskoordinaten in einer Messebene. Die Laserstrahlen werden um eine zur Messebene senkrechte Drehachse kontinuierlich bewegt (rotierende Bewegung) oder periodisch hin und her bewegt (scannende Bewegung). Die trackende Bewegung des Laserstrahls eignet sich vor allem für die Bestimmung dreidimensionaler Ortskoordinaten und wird mit einer Tra- ckingeinrichtung, die die sich bewegende Zieleinrichtung verfolgt, eingesetzt.