TWI795829B

TWI795829B - 透過被佈置為相對於世界座標系靜止的光密度測量相機對夾持在定位設備內且具有物體座標系的光源進行光度繪製的方法及其用途

Info

Publication number: TWI795829B
Application number: TW110124276A
Authority: TW
Inventors: 克勞斯特蘭伯特; 烏多克呂格; 克里斯蒂安史瓦南格爾
Original assignee: 德商泰科諾提姆控股有限公司
Priority date: 2020-07-17
Filing date: 2021-07-01
Publication date: 2023-03-11
Also published as: DE102020208992A1; KR102632930B1; TW202204857A; US11927477B2; MX2021008545A; CN113945366A; EP3940356B1; CN113945366B; KR20220010457A; US20220018709A1; EP3940356A1

Abstract

本發明涉及一種透過相對於世界座標系靜止佈置的光密度測量相機對夾持在定位設備內並且相對於物體座標系靜止的光源進行光度繪製的方法，其中，光源在世界座標系內沿著定位設備的運動鏈在第一實際測量位置和至少一個另外的實際測量位置之間移動，其中，在光源接通的情況下，在各實際測量位置透過光密度測量相機記錄描述測量表面內的光度特性的空間分佈的光密度測量圖像，並且，直接參考世界座標系，而不參考定位設備的運動鏈，物體座標系相對於世界座標系的位置和/或定向記錄在各實際測量位置。

Description

透過被佈置為相對於世界座標系靜止的光密度測量相機對夾持在定位設備內且具有物體座標系的光源進行光度繪製的方法及其用途

本發明涉及透過相對於世界座標系靜止地佈置的光密度測量相機對靜止地夾持在定位設備內的光源的光輻射特性進行空間特性化的方法，其中，光源在世界座標系內沿著定位設備的運動鏈在第一實際測量位置和至少一個另外的實際測量位置之間移動。並且，本發明涉及這種方法的用於前照燈的光度繪製的用途。

對於特別是燈(lamp)和電燈(light)的光源的光學特性的特性化，其輻射特性，特別是也稱為光強度分佈體或光強度分佈曲線(LIDC)的光強度分佈受到關注。

在對前照燈的LIDC繪製時，由於LIDC中的高梯度要求對物體進行非常精確的定位(這裡通常為0.01°)，從而以足夠高的精度和/或準確度記錄物體座標系中的測量點，對測量儀器的空間解析度提出特別高的要求。

前照燈被用於照明技術的許多領域，例如車輛前照燈、舞臺投影儀、街道照明、鐵路和道路交通信號燈以及航空和船舶技術中的燈標。

這裡建立了不同的方法，這些方法等已被引入標準EN 13032第1部分和第4部分、CIE 121、汽車領域的ECE法規R1等以及聯邦機動車安全標準和基於國標標準的CCC。

對於前照燈的直接光度繪製，應用測角光度計，在所述測角光度計中，光感測器(光度計頭)被佈置在與前照燈的規定距離處，並由其照明。對於光輻射特性的空間記錄，前照燈圍繞至少一個旋轉軸旋轉。在配置為光反向器的測角光度計中，在光度繪製期間，前照燈圍繞彼此正交的兩個旋轉軸旋轉，其中旋轉軸在旋轉中心相交。

在以這種方式配置的測角光度計中，在此處和下文中總是參照要繪製的物體(例如參照前照燈或更一般地參照由測角光度計保持的光)定義的物體座標系在物體圍繞至少一個旋轉軸旋轉時相對於世界座標系的移動。

包括所需的剛性保持器的前照燈(例如車輛前照燈)的尺寸和重量以及高定位精度，導致對這種測角光度計的機械精度和/或準確度和堅固性(例如彎曲剛度和扭轉剛度)有很高的要求。

使用間接光度繪製，由前照燈發射的輻射被配置在前照燈光路中足夠遠處的媒體捕獲。這種媒體被配置為漫反射或散射並且較佳為光譜中性。利用這種間接光度測量方法，可以在單個曝光步驟中用成像方法記錄漫反射或散射媒體。與透過測角光度計逐點依序記錄LIDC相比，這允許更快的測量。

透過光密度測量相機記錄照明媒體上的前照燈的部分光通量。媒體可以被佈置在透射光的光路中，即：在光密度測量相機和前照燈之間透射，或者被佈置在撞擊光的光路中，即：反射前照燈的光。媒體可以配置為曲面或平面。

可以透過分析光密度測量相機、媒體和前照燈之間的幾何關係，從由光密度測量相機記錄並且在被照明媒體上散射或反射的光密度分佈決定LIDC。

並且，幾個部分LIDC在前照燈相對於媒體的不同角度位置處被記錄並且被用於決定整體LIDC的增量方法是已知的。這要求執行用於校正(例如校正畸變)的幾何變換、矯正和/或座標變換，以及將光密度值轉換為光度或照度的光度變換。

這裡，透過測角儀使前照燈相對於媒體繞一個或多個軸旋轉的測量裝置和測量方法是已知的。由於設定於測角儀處的測量物體(前照燈)的角位置經由幾何和/或光度變換進入決定的LIDC，因此這種測角儀也受制於對精度和/或準確度的高要求。

本發明的目的是，為透過定位設備相對於世界座標系移動的光源的光輻射特性的空間特性化提供改進的方法。

根據本發明，透過具有請求項1的特徵的方法實現所述目的。

並且，本發明的目的是要提供用於前照燈的改進光度繪製的這種方法的用途。根據本發明，透過請求項17的特徵實現所述目的。

有利的實施例是附屬請求項的標的。

在用於光源的光度繪製的方法中，光源被夾持在定位設備中。定位設備被配置為在相對於世界座標系指示的實際測量位置之間移動光源。較佳地，定位設備被配置為圍繞可在旋轉中心相交的旋轉軸旋轉光源。

物體座標系被定義為相對於夾持光源靜止。

透過相對於世界座標系靜止佈置的光密度測量相機執行光度繪製。代替光密度測量相機，逐點測量的感測器(例如，光度計)可以類似地被應用於光度繪製，例如透過相對於逐點測量的感測器在測量點之間以具有足夠密集的測量距離的掃描圖案移動光源來進行光度繪製。

在從光源到光密度測量相機的光路中，可以佈置反射和/或散射媒體，使得媒體被光源照明，並且由媒體反射和/或散射的光被光密度測量相機記錄。換句話說，光度繪製可能是間接的。

類似地，能夠透過光源間接地照亮光密度測量相機，或者透過光密度測量相機直接記錄光源的光密度分佈。

光源在世界座標系內沿著定位設備的運動鏈在第一實際測量位置和至少一個另外的實際測量位置之間移動。運動鏈從相對於世界座標系靜止佈置的一個元件(例如基座)延伸到光源在其中被夾持在固定位置並且例如可以被配置為保持設備的元件。

定位設備可以包括可以根據運動鏈彼此相對地移動(偏移和/或旋轉)的多個機器座標系。具體地，定位設備包括參考處於運動鏈端部的保持設備的保持座標系。

對於在測量過程中光源被充分牢固地固定的機械剛性保持設備，物體座標系(參考光源)和保持座標系(參考保持設備)透過恆定變換互連，所述恆定變換可以被描述為物體座標系相對於保持座標系的恆定姿態。

類似地，在測量期間，物體座標系的位置和/或定向(即姿態)能夠例如透過保持設備的彈性變形相對於保持座標系改變。

在各實際測量位置，光密度測量圖像在光源打開的情況下由光密度測量相機記錄。光密度測量圖像描述測量表面內的光度特性的空間分佈。測量表面可以例如由被光源照明的平坦、漫反射或漫散射媒體的捕獲平面形成。測量平面也可以是彎曲的，例如是球形彎曲的。

當在光源的實際測量位置記錄光密度測量圖像時，直接參考世界座標系而不參考定位設備的運動鏈，記錄物體座標系相對於世界座標系的位置和/或定向。

術語位置，指的是物體座標系和世界座標系之間的三維局部偏移。術語定向，指的是物體座標系相對於世界座標系的旋轉(rotation)。位置和定向統稱為姿態。各實際測量位置由測量時物體座標系相對於世界座標系的姿態決定。

物體座標系的位置和/或定向的記錄如果獨立於運動鏈的各個元素之間的相對運動參數的記錄進行則被稱為直接且不參考定位設備的運動鏈。

所述方法的優點是位置(尤其是定向)可以在直接參考中以經濟高效的方式被決定，即不需要沿著定位設備的運動鏈的複雜的感測器(sensoric)。

另一個優點是，沿運動鏈的機械和/或感測器特性(例如不完全剛性構件的偏轉或扭轉、感測器的晃動(play)或不精確性)不影響實際測量位置的決定的精度和/或準確度。

由於運動鏈的特性機械性能受測量物體的發生扭矩的影響，因此這是特別有利的。這些扭矩取決於測量物體的姿態和質量分佈。如果扭矩分佈已知，則特性偏差實際上可能會得到補償，然而，這需要首先以更多的工作量決定它們。這額外的工作量不適用於此種透過在世界座標系中直接決定物體座標系姿態的方法。

所述方法的另一優點是不需要以高精度和/或準確度接近預定的設定測量位置。相反，以低精度和/或準確度接近設定的測量位置但透過在世界座標系中直接參考以高精度和/或準確度對實際到達的測量位置繪製是足夠的。以這種方式，也能夠使用精度較低且成本效益較高的定位設備定位光源。

定位設備提供有保證的定位公差，所述公差規定了實際測量位置與預定設定測量位置的最大偏差。記錄或決定物體座標系相對於世界座標系的位置和/或定向提供了有保證的記錄公差，所述記錄公差規定了相對於世界座標系的實際位置和/或定向與記錄的位置和/或定向的最大偏差。

在所述方法的實施例中，相對於世界座標系的位置和/或定向的記錄提供有保證的記錄公差，所述有保證的記錄公差相對於至少一個參數小於定位設備的有保證的定位公差。

所述實施例允許在保持光源的光度測量的精度和/或準確度的同時使用較便宜的定位設備。

在實施例中，決定定位設備所需的定位公差，所述公差足以使得可以佈置和接近預定的設定測量位置的序列，使得當光源達到對應於預定的設定測量位置的實際測量位置時能夠完整地記錄(或登記)光源的光度特性，其中，各實際測量位置在與相應的預定的設定測量位置的所需定位公差內。

選擇用於夾緊光源的定位設備，所述定位設備提供小於或較佳等於所決定的所需定位公差的有保證的定位公差。

本公開內容的所述實施例依賴於這樣的洞察力，即以良好的精度決定實際測量位置就足夠了，而定位本身，即光源進入預定姿態的機械驅動可以不太準確。這對於需要定位設備的特別高的機械穩定性的如光源的相對較重的物體特別有利。

本實施例允許在保持光源的光度測量的精度和/或準確度的同時使用特別便宜的定位設備。

在實施例中，選擇具有至少±1毫米、較佳為至少±5毫米的定位公差的定位設備。

所述實施例允許在保持光源的光度測量的精度和/或準確度的同時使用特別便宜的定位設備。

在所述方法的實施例中，媒體以相對於世界座標系的固定位置和定向被佈置，所述媒體被配置用於對由光源發射的光進行漫反射和/或散射。例如，這種媒體可以被配置為漫射反射螢幕或漫射碟(diffusion disk)。

所述媒體被佈置為使其由光源照明並且由光密度測量相機將漫反射和/或散射光記錄在光密度測量圖像中。

這種間接光度繪製的優點是，可以用一次測量記錄相對較大的光分佈段。段的大小取決於實施的媒體的大小。

在本發明的實施例中，光密度測量相機可以直接(即，在沒有媒體的情況下)捕獲光源。在本實施例中，測量表面被佈置在光源的朝向光密度測量相機的表面上。

並且，成像光學部件，例如透鏡和/或鏡子，可以被佈置為在從光源到媒體(用於間接光度繪製)或從光源到光密度測量相機(用於直接光度繪製)的照明光路中進行光束控制或光束形成。

在所述方法的實施例中，光源在光度繪製期間圍繞至少一個延伸穿過旋轉中心的軸旋轉。由於參考光源的物體座標系的原點與旋轉中心重合，因此這允許對光源進行特別容易的評估，並且因此不需要額外的座標變換來獲得LIDC。

在所述方法的實施例中，在第一步驟中，透過直接探測至少一個測量標記決定物體座標系相對於世界座標系的位置。在第二步驟中，決定物體座標系相對於世界座標系的定向。

所述方法的所述實施例的優點是，對於光源的評估，具有低精度和/或準確度(例如，具有一毫米的可接受的定位不精確性)的位置的決定是足夠的，並且在具成本效益的方法中是可能的。相反，需要以高精度和/或準確度(例如以1/100度的可接受角度偏差)決定定向。透過將定位的決定與定向的決定分開，可以實現總體具成本效益且足夠精確的姿態的決定，並因此實現改進的光源光度繪製。

在所述方法的實施例中，透過在每種情況下藉由至少一個參考相機記錄至少一個測量標記決定物體座標系的位置和/或定向。

測量標記和參考相機價格不貴，並且可以容易地在定位設備和/或在周圍空間中佈置和操作。並且，透過參考相機記錄測量標記可以以特別快速、幾乎瞬時的方式進行。

在所述方法的實施例中，至少一個參考相機被佈置為相對於世界座標系靜止，並且至少一個測量標記被佈置為相對於物體座標系靜止。由於測量標記可以被配置為小而輕並且可以容易地緊固和釋放，因此有助於特別簡單、具成本效益和精確的測量。

在所述方法的實施例中，至少一個參考相機被佈置為相對於物體座標系靜止，並且至少一個測量標記被佈置為相對於世界座標系靜止。較佳地，至少一個測量標記由被佈置為在世界座標系中靜止的空間特徵(例如安裝設備或架構特徵)形成。以這種方式，能夠特別容易和彈性地記錄世界座標系的姿態。

在所述方法的實施例中，至少一個測量標記被配置為用於發射能夠由分配給所述測量標記的至少一個參考相機記錄的輻射的主動測量標記。在參考相機的圖像中可以特別好地識別和定位主動測量標記。由不同主動測量標記發射的輻射可以在光譜和/或時間上被配置為可辨別的。以這種方式，可以提高識別測量標記的可靠性。

在所述方法的實施例中，至少一個捕獲平面在被佈置為在世界座標系中靜止。在各情況下，當接近實際測量位置時，決定物體座標系的位置，並且從以相對於物體座標系的已知方向發射並在至少一個捕獲平面上捕獲的調變(即根據位置和立體角變化)照明的繪製決定物體座標系的定向。

所述方法的優點在於，透過繪製以已知方式調變的照明的畸變，可以非常精確和簡單地決定相對於捕獲平面的角度。

在所述方法的實施例中，透過作為包括至少一個投影結構的投影矩陣的衍射光學元件(DOE)產生調變照明。在每種情況下，投影結構沿著引導光束投影到捕獲平面上。

投影矩陣可以是點矩陣，其中，配置為投影點的投影結構被間歇地佈置。

可以以特別容易的方式產生這種投影矩陣，並且可以透過藉由相機記錄在捕獲平面上捕獲的投影矩陣並且透過在相機的圖像中定位至少一個投影結構以高精度和/或準確度分析這種投影矩陣。

投影點可以以規則的間隔佈置，例如等距佈置。藉由於這種投影矩陣，可以以高的精度和/或準確度決定投影在捕獲平面上的點矩陣的位置的變化和/或依賴於點間隔的範圍內的投影方向的變化。

至少一個投影結構可以類似地關於位置以不規則的方式被調變(構造)。例如，可以選擇投影結構，使得其產生二維非週期形狀的亮度分佈，所述亮度分佈的二維自動相關函數較佳地僅具有一個最大值並且特別較佳地形狀類似於狄拉克脈衝。透過這種形狀的投影結構，可以跨特別大的範圍明確地決定捕獲平面上的投影位置的變化。

在其它實施例中，調變照明被配置為條帶投影或柵格投影。存在本領域已知的方法，透過所述方法，可以參考捕獲平面的表面法線決定光軸的傾斜，沿著所述光軸在捕獲平面上投影條帶投影或柵格投影。

在所述方法的實施例中，調變照明由光源發射並被直接投影到光密度測量相機上，或由光密度測量相機間接記錄為投影到媒體或捕獲平面上的光密度。

接近分別位於設定測量位置周圍的預定距離內的實際測量位置，其中，在各實際測量位置，記錄至少一個光密度測量圖像。

選擇設定測量位置，使得至少兩個光密度測量圖像重疊，其中，透過圖像對準方法決定彼此重疊的光密度測量圖像之間的偏移，並且從偏移以及從相應分配給光密度測量圖像的實際測量位置決定物體座標系的相應定向。

本實施例的優點是，能夠利用現有的兩個光密度測量相機決定物體座標系的方向，並因此不需要額外的工作量。

在所述方法的實施例中，對於各實際測量位置，透過分析定位設備的參數決定相應的設定測量位置。基於設定測量位置記錄物體座標系的位置和定向。

本實施例的優點是，設定測量位置允許近似地決定實際測量位置。因此，可以減小在直接參考(不參考運動鏈)中精確記錄實際測量位置的測量範圍。這允許更簡單同時更精確地記錄實際測量位置，從而允許更簡單且更精確的光度繪製。

在所述方法的實施例中，為了接近設定測量位置，相應控制定位設備，使得在距相應分配的設定測量位置的預定距離內到達實際測量位置。例如，可以透過逐步減小實際測量位置和設定測量位置之間的距離，以迭代方式實施控制。

本實施例的優點是在定位光源時實現特別高的精度和/或準確度。這允許特別精確的光度繪製。

所述的方法可以被應用於前照燈的光度繪製。前照燈受制於對光度繪製的特別高的精度和/或準確度要求。以有利的方式，即使當接近設定測量位置時定位設備具有比本領域已知的方法更高的不準確度，也可以透過提出的方法滿足這些特別高的精度和/或準確度要求。

以這種方式，可以減少技術和程序上的工作量。例如，與本領域已知的光度繪製方法相比，能夠應用具有運動鏈元件的更高機械晃動(play)和更低彎曲剛度和扭轉剛度的定位設備。

特別地，所述方法可以被應用於車輛前照燈的光度繪製。對於車輛前照燈的光度繪製，可以以具成本效益的定位設備同時以高精度和/或準確度和可重複性實現的簡單的測量過程是特別重要的。

1:定位設備

100:工業機器人、定位設備

100.1:臂段

2:保持設備

3:前照燈、車輛前照燈

4:光密度測量相機

5:測量標記

501、502:標記碟、測量標記

6:參考儀器

601、602、603:參考儀器、參考相機

7:引導光源

7.1:主平面

7.2:旋轉中心

81~85:第一至第五光密度測量圖像

10:測角儀、定位設備

10.1:支柱臂

10.2:保持板、保持設備

10.D:旋轉中心

10.F:基座

10.S:支柱

10.X、10.Y、10.Z:第一、第二、第三平移軸

10.H、10.V:水平、垂直旋轉軸

20:擷取裝置

20.1:殼體

20.2:孔管

20.3:螢幕

20.4:捕獲相機

φ:水平角

θ:垂直角

M:媒體、捕獲平面、測量表面

G:鉸鏈軸

P1:(第一)設定測量位置

P1’:(第一)實際測量位置

P2~P5:第二到第五設定測量位置

P2’~P5’:第二至第五實際測量位置

Q:光源

T:物體座標系

T.O:物體座標系原點

T.x:物體x軸

T.y:物體y軸

T.z:物體z軸

W:世界座標系

W.x:世界x軸

W.y:世界y軸

W.z:世界z軸

X:引導光束

X.R:投影矩陣、點矩陣

X.P:投影結構、投影點

圖1是被配置為用於定位光源的測角儀的現有技術定位設備的示意圖。

圖2是被配置為工業機器人的定位設備的示意圖，所述工業機器人在其上面佈置有測量標記。

圖3是被配置為工業機器人的定位設備的示意圖，所述工業機器人在其上面佈置有測量碟。

圖4是被配置為工業機器人的定位設備的示意圖，所述工業機器人在其上面佈置有參考相機。

圖5是帶有用於投影點矩陣的引導光源的定位設備的示意圖。

圖6是用於部分捕獲投影點矩陣的光學擷取裝置的示意圖。

圖7是不同實際測量位置的帶有車輛前照燈的保持設備的示意圖。

圖8是從不同實際測量位置記錄的車輛前照燈的光密度測量圖像的示意圖。

圖1表示用於定位光源Q的現有技術定位設備1。例如，定位設備1被配置為測角儀10。測角儀10的基座10.F在笛卡爾世界座標系W中靜止並且承載支柱10.S。世界座標系由在原點相交的世界x軸W.x、世界y軸W.y和世界z軸W.z所定義。

測角儀10包括被配置為用於保持和可釋放地緊固光源Q的保持設備2。例如，保持設備2可以被配置為保持板10.2，較佳地被配置為穿孔柵格板。保持板10.2透過支柱臂10.1連接至支柱10.S。

支柱臂10.1可相對於支柱10.S繞垂直旋轉軸10.V旋轉。並且，支柱臂10.1包括沒有詳細顯示的旋轉設備，透過所述旋轉設備，佈置在其上面的保持板10.2可以繞固定在支柱臂10.1上的水平旋轉軸10.H旋轉，所述水平旋轉軸10.H與垂直旋轉軸10.V定向正交定向並在旋轉中心10.D與垂直旋轉軸10.V相交。

並且，保持板10.2可以相對於支柱臂10.1沿著相互正交的三個平移軸10.X、10.Y和10.Z偏移，使得由保持板10.2保持的光源的光學中心或另一基準點移動到旋轉中心10.D。

以這種方式，光源Q可以在旋轉中心10.D中繞旋轉軸10.H、10.V旋轉。光源Q旋轉，使得由光源Q發射的光通量至少部分地落在可被配置為漫反射或散射的媒體M上。在這裡，光通量產生造成媒體M的光密度的光強度，所述光密度可由光密度測量相機4以圖像分辨的方式測量。

在光源Q的繪製期間，光密度測量相機4和媒體M彼此之間以及關於世界座標系W的位置和定向是已知的並且是固定的。如果光源Q在世界座標系W中的位置和定向是已知的，則可以根據以圖像解析方式測量的媒體的光密度決定部分光強度分佈體，其中，部分光強度分佈體指示作為輻射角的函數的由光源Q發射的光強度分佈。

在這種上下文下，部分光強度分佈體的決定被限制在由光源Q發射的光落在媒體M上的立體角範圍。

透過在旋轉中心10.D繞旋轉軸10.H、10.V旋轉光源Q，可以記錄多個部分光強度分佈體，並且基於此，可以決定光強度分佈體，所述光強度分佈體覆蓋比單個部分光強度分佈體更大的輻射角的立體角範圍。

在現有技術中，光源Q的位置和定向的決定受到沿著從基座10.F到固定連接光源Q的保持板10.2的運動鏈傳播的定位誤差和位置決定誤差的限制。並且，光源Q的位置和定向的決定受到與模型假設的未知偏差(例如由於支柱臂10.2的機械剛度不足)的限制。

因此，本領域已知的光源Q的位置和定向的決定需要沿運動鏈的高精度感測器，當前的用於檢測沿平移軸10.X、10.Y、10.Z實施的保持板10.2相對於支柱臂10.1的偏移並且用於檢測圍繞旋轉軸10.V和10.H的旋轉角度的高精度感測器，例如由於與第一平移軸10.X同軸的支柱托架的下垂，僅可能具有有限的精度和/或準確度。

因此，需要能夠沒有干擾地決定可以沿著運動鏈相對於世界座標系W移動的光源Q的光強度分佈體，並且測量沿著運動鏈的在其精度和可靠性上限制決定的光強度分佈體的誤差的設備和方法。

圖2表示例如被配置為工業機器人100的另一定位設備1。工業機器人100包括被佈置在臂段100.1的自由端的保持設備2。

較佳地，保持設備2被配置為具有不同緊固選項(例如穿孔柵格板或安裝框架)的平台，並且被配置為接收和保持物體(較佳光源Q)。特別較佳地，保持設備2被配置為接收前照燈3。

笛卡爾物體座標系T相對於由保持設備2保持的物體被定義，所述笛卡爾物體座標系T由在物體座標系原點T.O相交的物體x軸T.x、物體y軸T.y和物體z軸T.z決定。如果例如保持的物體是光源Q，則物體座標系T可以由光度基準點和光度基準軸決定。

工業機器人100包括多個鉸鏈軸G，單個臂段100.1圍繞鉸鏈軸旋轉，或者兩個相互連接的臂段100.1可以圍繞所述鉸鏈軸相對彼此旋轉。透過繞鉸鏈軸G旋轉，保持設備2可以在笛卡爾世界座標系W內移動。並且，保持設備2可以透過繞鉸鏈軸G旋轉相對於世界座標系W沿著至少一個軸旋轉。較佳地，工業機器人100被配置使得由保持設備2保持的前照燈3可以沿著兩個軸圍繞旋轉點獨立地旋轉並且相對於所述旋轉點移動。

換言之：透過繞鉸鏈軸G旋轉，沿著從在世界座標系W中靜止的工業機器人100的基座100.F開始直至保持設備2的運動鏈導致物體坐標系T相對於世界坐標系W的變化。運動鏈由臂段100.1的相對旋轉角決定，所述臂段100.1透過相應的鉸鏈與鉸鏈軸G相連。

工業機器人100包括特別多的自由度，並且特別彈性地可移動和可程式化。類似地，代替工業機器人100，可以應用具有保持設備2並且允許在由保持設備2保持的空間中重新定位要繪製的物體的任何其它類型的可移動定位設備1。特別地，圖1所示的設計的測角儀10也可以被用作定位設備1。

如果由保持設備2保持的光源Q(例如前照燈3)由被佈置為相對於世界座標系W靜止的測量設備繪製，則評估測量設備的測量需要決定物體座標系T相對於世界座標系W的位置和定向。測量設備被配置為用於決定橫跨輻射立體角的至少部分範圍的光源Q的光強度分佈體。較佳地，測量設備被配置為間接地決定至少一個部分光強度分佈體。

在本實施例中，測量設備包括被配置為用於記錄至少一個光度特性的光密度測量相機4和媒體M。

前照燈3透過工業機器人100定向和定位，使得由其發射的光通量至少部分地落在媒體M上。

媒體M可以被配置為漫反射和光譜中性反射表面。在這種情況下，光密度測量相機4被佈置在相對於媒體M的與前照燈3相同的半空間中，並且被配置為記錄由媒體M漫射反射的光。反射表面可以是平的(平面)或也可以是彎曲的，例如球形。

媒體M也可以配置為漫射碟。在這種情況下，光密度測量相機4被佈置為相對於媒體M與前照燈4相對，並且被配置為記錄在媒體M處散射的光。

光密度測量相機4和媒體M相對於彼此和相對於世界座標系W的佈置和定向是已知的或者被記錄。

因此，為了在像素座標系中逐像素地分配由光密度測量相機4記錄的光度特性(例如光密度)，決定物體座標系T相對於世界座標系W的位置和定向的決定是需要並且足夠的。物體座標系T的位置由以世界座標系W的座標值指示的物體座標系原點T.O的位置決定。物體座標系T的定向由以世界座標系W的座標值指示為方向向量的至少一個軸T.x、T.y、T.z的位置決定。

在現有技術中，透過記錄沿工業機器人100的鉸鏈軸G的旋轉角並將它們插入描述基座100.F和保持設備2之間的運動鏈的工業機器人100的機械運動模型中，決定物體座標系T相對於世界座標系W的位置和定向。在現有技術中，旋轉角由旋轉角感測器(例如旋轉增量感測器)檢測。

相反地，本發明提出透過在世界坐標系W中直接參考而不參考運動鏈決定物體座標系T相對於世界座標系W的位置和定向，其中，在第一步驟中，物體座標系原點T.O的位置透過直接參考決定為以世界座標系W的座標值的點，並且，在第二步驟中，透過直接參考將物體座標系T的定向決定為以世界座標系W的座標值的方向。

根據本發明的方法的優點是，與現有技術相比，可以顯著減少用於避免或校正定位設備1的自變形的工作量。特別地，可以放寬對沿運動鏈相對彼此移動的定位設備1的元件的機械剛度的要求。以這種方式，可以節省定位設備1的成本、空間和重量。

並且，由於根據本發明的方法，不再需要佈置在輸出側的位置感測器，所述位置感測器用於精確地決定沿運動鏈鏈接並且可相對彼此移動的定位設備1的所有元件的相對位置。因此，降低這種定位設備1的成本和構建工作量。

首先，參照圖2和圖3解釋用於決定物體座標系原點T.O的位置的實施例。

然後，參照圖4和圖5解釋用於決定物體座標系T的定向的實施例。

僅為了更好的可理解性，將分別解釋用於決定物體座標系T的定向和用於決定物體座標系原點T.O的位置的實施例。本發明的較佳實施例包括用於決定物體座標系T的定向的至少一個實施例的特徵以及用於決定物體座標系原點T.O的位置的至少一個實施例的特徵。

圖2表示透過測量標記5被佈置在保持設備2中的前照燈3處並因此對於物體座標系T靜止的事實來實施物體座標系T的參考的實施例。

測量標記5可以被配置為被動測量標記5。例如，被動測量標記5可以由諸如已經存在於前照燈3(或要繪製的另一光源Q)上的邊緣、拐角或印刷品的結構形成。被動測量標記也可以由接合在前照燈3上的貼片形成，這些貼片具有視覺上清晰可見、邊界清晰、對比度高的特性，例如以黑白印刷的QR碼或壓印黑白對比圓或圓環。

被動測量標記5也可以被配置為三維，例如球體。球形被動測量標記5的優點是，它們以不依賴於視角的方式被記錄，並且圓形輪廓沒有畸變。因此，當使球形被動測量標記5局限於相機圖像中時，促進了特別高的精度和/或準確度。

替代性地或另外，測量標記5還可以被配置為在可以由參考相機601~603記錄的可見或不可見波長範圍內發射光的主動測量標記5。

這種類型的主動測量標記5包括獨特的結構，例如，由孔、球形結構、具有非常窄限制的光輸出的點狀結構限制的圓形光輸出，或可例如透過漫射碟或磨砂球面實現的近似各向同性輻射特性。

較佳地，透過選擇發射光的光譜特性改善和促進圖像中的主動測量標記5的識別和分配，使得它與由待繪製的光源Q(例如前照燈3)發射的光明確且良好地區分。可以例如透過波長相關的分束器或透過佈置在參考相機601~603前面的光譜濾波器實現光譜分離。

並且，可以透過暫時調變(例如，鍵控)主動測量標記5的光發射改善和促進主動測量標記5的識別和分配。

在工業機器人100的環境中，三個參考相機601、602、603相對於世界座標系W靜止地佈置，使得由多個參考相機601~603在物體座標系原點T.O的設定測量位置P1捕獲各測量標記5。

參考相機601~603關於它們的姿態，即關於它們的相應捕獲平面相對於世界座標系W的位置以及關於它們的相應光軸相對於世界座標系W的定向是已知的，並且在前照燈3的繪製期間是穩定的。並且，參考相機601~603關於其相應的成像性能是已知的。具體地，參考相機601~603的相應主要參數和畸變參數是已知的。用於決定相機的主要參數和畸變參數的方法在本領域中是已知的。

主動和/或被動測量標記5被配置使得它們在由參考相機601~603記錄的圖像中可以清楚地識別，並且具有銳利的結構，例如高空間頻率和/或至少一個銳利邊緣。

並且，沒有詳細表示的其絕對長度(以毫米為單位)沿至少一個維度已知的校準量規被佈置為對參考相機601~603可見。例如，這種校準量規可以由兩個測量標記5之間的已知(繪製)距離形成。

由於測量標記5在物體座標系T中被靜止地佈置並且參考相機601~603在世界座標系W中被靜止地佈置，因此，可以透過將所述測量標記5的圖像在第一參考相機601的圖像中的位置與相同測量標記5的圖像在另一參考相機602、603的圖像中的位置進行比較，透過三角測量決定測量標記5相對於世界座標系W的位置。

用於識別測量標記5的圖像在相機圖像中的位置的方法，和用於三角測量，即用於決定對應於在多個相機圖像中檢測的所述測量標記5的圖像的位置的世界座標系W中的測量標記5的位置的方法，在本領域中是已知的。特別地，近景攝影測量的方法是已知的。

當透過分配給鉸鏈軸G的旋轉角度感測器已經接近到達設定測量位置P1時，測量標記5由參考相機601、602、603記錄，透過使用三角測量方法關於它們在世界座標系W中的位置被識別和繪製。物體座標系原點T.O在世界座標系W中的位置由測量標記5相對於物體座標系原點T.O的已知位置決定。

以有利的方式，例如臂段100.1缺乏剛度(例如下垂和/或畸變)，決定沿鉸鏈軸G的旋轉角的不精確性和工業機器人100的不精確機械運動模型不影響決定物體座標系原點T.O相對於世界座標系W的位置的精度和/或準確度。

因此，能夠將具有較低精度和/或準確度要求的更具成本效益的定位設備1應用於繪製光源Q(例如前照燈3)。只需要確保在相應記錄LIDC的部分段期間由保持設備2保持的前照燈3的位置和/或定向的一致性。為此目的，用於工業機器人100的高成本效益且可靠的制動設備是已知的和可用的。

在用於繪製前照燈3的方法的實施例中，前照燈3最初透過工業機器人100粗略地預先定位在設定測量位置P1處。可以透過分析鉸鏈軸G處的旋轉角感測器的測量值進行粗略的預定位。

隨後，可以控制工業機器人100，使得實際測量位置P1’相對於設定測量位置P1的位置位移減小。

這種方法可以被重複，其中，實際測量位置P1’與設定測量位置P1’的位置位移被迭代地減小，直到達到期望的精度和/或準確度(即，低於實際測量位置P1’與設定測量位置P1的位置位移的上限)。

或者，當在像素座標系中分析由光密度測量相機4記錄的光度特性時，即使實際測量位置P1’與設定測量位置P1不同，也可以保持得到的實際測量位置P1’，並考慮透過分析由參考相機601、602記錄的圖像決定的前照燈3(並因此物體座標系原點T.O)的位置位移。

圖3表示透過被配置為標記碟501、502的兩個測量標記5被佈置在工業機器人100的保持設備2處的事實來決定物體座標系T的位置的實施例。由於在測量過程中前照燈3被固定在保持設備2中，因此標記碟501，502被佈置為相對於物體座標系T靜止。

標記碟501、502包括高對比度打印圖案，例如，類似於具有同心、交替的白色和黑色圓環和/或類似十字線的觀察碟(sight disk)。不以共面的方式佈置標記碟。較佳地，標記碟501、502彼此正交地配置。

在工業機器人100的環境中，兩個參考相機601、602相對於世界座標系W靜止地佈置，使得在物體座標系原點T.O的設定測量位置P1中，各參考相機601、602捕獲一個相應分配的標記碟501、502。較佳地，參考相機601、602 被佈置使得在設定測量位置P1處和附近，相應分配的標記碟501、502相對於參考相機601、602的光軸近似垂直，較佳地以在80°和100°之間的角度。

當透過分配給鉸鏈軸G的旋轉角感測器已經接近到達設定測量位置P1時，標記碟501、502透過相應分配的參考相機601、602被記錄並且被繪製。

例如，標記碟501、502和參考相機601、602可以被佈置使得當理想地達到設定測量位置P1時，標記碟501、502分別出現在所分配的參考相機601、602的像素座標系的中心。因此，可以透過決定與標記碟501、502在相應分配的參考相機601、602的像素座標系中的中心位置的偏差並根據再現比例將偏差轉移到世界座標系W中，關於世界坐標系W的所有軸W.x、W.y、W.z，決定與保持設備2的設定測量位置P1的偏差。

本實施例的優點在於，還可以透過選擇參考相機601、602的足夠大的捕獲圖像角檢測與設定測量位置P1的非常大的偏差。類似地，為了避免混淆識別的實際測量位置P1’的座標，能夠應用不同形成的標記碟501、502(例如具有不同的打印圖案)。

並且，還能夠應用多於兩個的參考相機601、602和/或多於兩個的標記碟501、502以提高決定位置時的精度和/或準確度和堅固性。

多個標記碟501、502在以不同圖案被打印時可以由參考相機601、602共同記錄。透過繪製記錄的標記碟501、502的中心之間的距離，例如能夠決定延伸穿過標記碟501、502的中心的直線相對於參考相機601、602的圖像平面的傾角。

在未詳細表示的實施例中，保持設備2(和物體座標系T)的位置和定向可以透過具有成對垂直定向的圖像平面的參考相機601、602和總共六個標記碟501、502相對於世界座標系W被決定，在這六個標記碟501、502中，相應兩個相對於相應分配的參考相機601、602的圖像平面共面佈置。

在未詳細示出的另一實施例中，參考相機601、602被由彼此相對放置且在世界座標系W中靜止的相應的光源和光感測器形成的光屏障群代替。標記碟501、502或在保持設備2上剛性佈置的類似配置的不透明測量標記5根據位置中斷這些光屏障中的一個或多個，並因此允許沿著相應垂直於光屏障或垂直於多個光屏障的測量方向決定保持設備2的位置。

圖4示意性地表示用於決定物體座標系T的定向的實施例。

參考相機601、602相對於工業機器人100的保持設備2處的物體座標系T靜止地佈置。參考相機601、602被配置為用於記錄在工業機器人100的環境中相對於世界座標系W靜止地佈置的測量標記5。

測量標記5可以由測量實驗室的現有、靜止、結構化裝備元件(例如櫃子、測量台、頂燈或設施的邊緣或角落)形成。測量標記5可以類似地如圖3所示的實施例中一樣由特別佈置的標記碟501、502或類似的高對比度和結構化標記形成。

選擇參考相機601、602的孔徑角，使得它們在保持設備2的各位置和定向中捕獲測量標記5中的至少一個。並且，參考相機601，602被佈置在定位設備上，使得其相應的光軸可以透過工業機器人100相對於世界座標系W的移動而改變。

較佳地，參考相機601、602被佈置在運動鏈的最後可移動構件之後，例如，相對於保持設備2處於固定位置和定向。

在校準階段，由參考相機601、602完全掃描周圍空間。對於各參考相機601、602，生成使相應記錄的圖像與保持設備2(從而也與參考相機601、602的)的姿態(即，位置和定向)相關的相關數據集。

以類似於參考圖2描繪的實施例的方式，可以透過在由參考相機601、602記錄的圖像中繪製測量標記5的圖像的像素座標，決定物體座標系T的定向。

在隨後的工作階段，由參考相機601、602記錄的圖像與所存儲的相關數據集的至少一個圖像重疊，並且基於此，決定相應參考相機601、602的光軸的定向。

即使使用單個參考相機601、602，如果例如如參考圖3所描繪的那樣已事先決定物體座標系T的位置(即，物體座標系原點T.O的位置)，則物體座標系T的定向也因此可以被決定。

使用多個參考相機601、602，可以透過相交從決定的參考相機601、602的光軸決定或驗證物體座標系T的位置。

圖5表示工業機器人100的實施例，其中，具有光學主平面7.1的引導光源7相對於保持設備2靜止佈置，引導光源7沿著引導光線X將圖案投射到空間中。從將引導光源7安裝到保持設備2，引導光源7相對於局部座標系T的姿態(位置和定向)是已知的。

引導光源7可以例如被配置為衍射光學元件(DOE)，並且被配置使得具有點X.P的點矩陣X.R以1度柵格近似地輻射到部分空間中，例如輻射到半空間中，其中，各引導光束X對應於點矩陣X.R的投影點X.P。較佳地，引導光源7在不可見和低能範圍內輻射。

點矩陣X.R的一部分由圖6所示的光學擷取裝置20捕獲，並在世界座標系W中以已知的位置和定向靜止地佈置。擷取裝置20被佈置使得其捕獲至少一個引導光束X。

擷取裝置20包括在入口側具有孔管(aperture tube)20.2的不透明殼體20.1。孔管20.2突出到不透明殼體20.1中，並透過漫射螢幕20.3在突出到殼體 20.1中的端部終止，在所述漫射螢幕20.3上，至少一個捕獲的導光光束X被再現為投影點X.P。孔管20.2可以被配置使得只有單個引導光束X被引導到螢幕20.3上，因此，只有單個投影點X.P被再現到螢幕上。

在螢幕20.3後面的引導光束X的方向上，佈置捕獲相機20.4，所述捕獲相機20.4記錄具有在其上面投影的至少一個投影點X.P的螢幕20.3的圖像。捕獲相機20.4可以被配置為光密度測量相機。

保持設備2的定向的改變對應於主平面7.1圍繞旋轉中心7.2以水平角φ和/或垂直角θ的旋轉。因此，引導光束X也旋轉了水平角φ和/或垂直角θ，並且相應的投影點X.P在螢幕20.3上在水平和/或垂直方向上相應地移動。

螢幕20.3上的點X.P的位置透過使用捕獲相機20.4被決定。從物體座標系T的位置的決定以及從所述物體座標系T中的引導光源7的已知姿態，主平面7.1的旋轉中心7.2的位置是已知的。因此，可以從點X.P的水平位置決定水平角φ，並且可以從點X.P的垂直位置決定垂直角θ。

為了在決定角度φ和θ時避免含混不清，必須識別透過孔管20.2落在螢幕20.3上的至少一個引導光束X。出於所述目的，可以透過DOE以不同的方式設計不同引導光束X，特別是相鄰引導光束X的光束輪廓(profile)。例如，可以設計不同的光束輪廓，使得點矩陣X.R中的相鄰點X.P在被投影到螢幕20.3上時具有不同的尺寸和/或不同的強度和/或不同的結構，並且因此可以透過捕獲相機20.4區分。

作為替代或補充，可以透過粗略地(即以引導光束X發散的立體角柵格的解析度)決定物體座標系T的定向，識別透過孔管20.2落在螢幕20.3上的至少一個引導光束X。

例如，透過工業機器人100的鉸鏈軸G處的簡單感測器，能夠例如以一度的解析度粗略地決定物體座標系T的定向。作為替代或補充，可以透過根據參考圖2和圖3描繪的方法決定多個測量標記5的位置實施粗略決定。

基於只需要足以從在螢幕20.3上捕獲的點矩陣X.R識別至少一個點X.P的定向的這種粗略決定，能夠透過使用捕獲相機20.4決定所述至少一個點X.P的位置使角度φ和θ的決定提高數量級(以例如1/100度到1/1000度的解析度)。

在圖7示意性地示出的另一實施例中，透過登記光密度測量圖像81~85決定由工業機器人100保持的前照燈3的定向和/或位置的增量變化。當前，前照燈3被配置為車輛前照燈3。

出於所述目的，隨後透過圍繞工業機器人100的至少一個鉸鏈軸G旋轉接近第一到第五設定測量位置P1~P5。由此，實際到達的第一到第五實際測量位置P1’~P5’透過分配給工業機器人100的鉸鏈軸的旋轉角感測器(未詳細顯示)被近似決定。作為替代或補充，也可以透過參考圖1~圖4描繪的方法的實施例決定第一到第五實際測量位置P1’~P5’。

在第一至第五實際測量位置P1’~P5’中，由光密度測量相機4記錄接通的車輛前照燈3的圖8中示意性地示出的相應的第一至第五光密度測量圖像81~85。

第一到第五設定測量位置P1~P5被配置和佈置使得即使當考慮接近設定測量位置P1~P5時的實際測量位置P1’~P5’的最大可能偏差時，對應的光密度測量圖像81~85也具有至少成對得足以進行圖像對準的重疊。

換言之：即使對於例如透過鉸鏈軸G處的旋轉角感測器的不精確和/或工業機器人100的臂段100.1的自變形導致的在可能的定位公差範圍內的實際測量位置P1’~P5’的最不利佈置，光密度測量圖像81~85也具有足以進行圖像對準的重疊。

用於其中相互交錯和/或失真的強度圖像(例如灰度或彩色圖像)重疊的圖像對準的方法在本領域中是已知的(例如從出版物B.Zitova,J.Flusser：Image registration methods：a survey,Elsevier.Image and Vision Computing,vol.21,2003,S.977-1000)。足以用於圖像對準的重疊程度(例如取決於強度圖像的結構、對比度或失真)也是已知的。

例如，第一到第五設定測量位置P1~P5被佈置和配置使得作為分配給第一設定測量位置P1的錨定圖像的第一光密度測量圖像81具有與各另外的光密度測量圖像82~85的足以進行圖像對準的重疊。

類似地，能夠配置多個設定測量位置P1~P5，使得所分配的光密度測量圖像81~85以條形圖案被佈置。

類似地，假設各光密度測量圖像81~85透過至少一個重疊路徑以重疊方式與各其它光密度測量圖像81~85鏈接，則可以透過佈置和配置對應的設定測量位置P1~P5來實現光密度測量圖像81~85的任何其它平面延伸佈置，其中，在每種情況下，兩個相鄰的光密度測量圖像81~85(即，重疊路徑中的前者和後者)具有足以沿著光密度測量圖像81~85的重疊路徑進行圖像對準的重疊，其中，即使實際到達的實際測量位置P1’~P5’在工業機器人100的定位精度和/或準確度範圍內從分配的設定測量位置P1~P5偏離到最大不利程度，重疊也必須足以用於圖像對準。

本實施例的優點是，可以原則上跨任何範圍(特別是延伸超過單個光密度測量圖像81~85的記錄區域)大尺度地記錄由車輛前照燈3產生的光密度分佈，其中，對工業機器人100的定位精度和/或準確度，特別是對其機械剛度以及對其位置或角度感測器的精度和/或準確度僅提出較低的要求。