Entwicklung eines optischen Multi-Lasertracker-Systems zur berührungslosen Positionsbestimmung in kinematischen Systemen

Nguyen, Tran-Trung

This thesis presents a new concept of a contactless multi-sensor system, which is able to measure the three-dimensional (3-D) position of several kinematical systems. This new sensor system can be used as a non-contact position feedback sensor in automation processes. The goal of this work is the development of a high precision multi-lasertracker-system that allows both static and dynamic measurements. The multi-sensor system has a modular design and is build up out of four subsystems including integrated supply electronics and opto-electronic detection units. Every subsystem includes a high-resolution Michelson interferometer as well as a high-dynamic beam deflection unit. Each subsystem is able to track the moving target and compute the 3-D-coordinates of the target using the angle and length measurements. For this purpose the needed algorithms for the whole multi-sensor system were developed in this work. In particular these are the automated localization of the measurement object, the communication channel between the four subsystems, the model-based tracking control and the calculation of the 3-D-coordinates based on the method of triangulation as well as multilateration.Beside the already mentioned algorithms the second focus of this work is the development of the needed calibration algorithms. In order to calculate the 3-D-coordinates very precisely the objective is the determination of the three offset length parameters, the 48 system parameters of the four subsystems as well as the 18 coordinate transformation parameters of the multi-lasertracker-system. Due to the fact that every unknown parameter cannot identify via a direct measurement a complex calibration procedure is indispensable in order to estimate all parameters. The proposed calibration strategy is divided in two steps. The system parameters of every subsystem are determined via a reference measurement device in a pre-calibration process and then they are used as initial values for the estimation of the residual 69 unknown parameters. Despite the high number of parameters the experimental results show a measurement error of the multi-lasertracker-system below 10 µm.

Die vorliegende Arbeit stellt ein neues Konzept eines global übergeordneten Multi-Lasertracker-Systems zur berührungslosen 3-D-Positionsmessung mehrerer Kinematiken für Anwendungen in Automatisierungsprozessen vor. Dabei ist das Ziel, ein Messsystem zu entwickeln, welches als 3-D-Positionssensor in einem geschlossenen Regelkreis eingesetzt werden kann. Das Gesamtsystem ist modular aufgebaut und besteht aus vier Trackermodulen mit den zugehörigen Versorgungs- und Auswerteeinheiten. Jedes Trackermodul besteht aus einem hochauflösenden Interferometer sowie einem hochdynamischen Strahlablenksystem. Ein solches Trackermodul ist in der Lage, ein Messobjekt im Raum zu verfolgen und dessen 3-D-Koordinaten aus den Winkel- sowie Längenmessungen zu berechnen. Für einen experimentellen Aufbau wurden in dieser Arbeit alle notwendigen Algorithmen entworfen. Hierzu zählen die automatisierte Lokalisierung des Messobjektes, die Kommunikation zwischen den Trackermodulen, die modellbasierte Regelung der Strahlnachführung für ein Trackermodul sowie die Berechnung der 3-D-Koordinaten des Messobjektes sowohl mit dem Messverfahren der Triangulation als auch der Multilateration. Neben dem Entwurf der benötigten Algorithmen lag der Fokus der Arbeit auf der Entwicklung von Kalibrieralgorithmen. Die Berechnung der 3-D-Koordinaten eines Messobjektes mit Hilfe der Multilateration erfordert eine genauere Kenntnis der drei Initiallängen, der 48 System- sowie der 18 Transformationsparameter des Multi-Lasertracker-Systems. Da nicht jeder Parameter direkt durch experimentelle Analysen ermittelt werden kann, wird der unbekannte Parametersatz durch ein zweistufiges Kalibrierverfahren identifiziert. Hierbei werden zunächst die Systemparameter jedes einzelnen Trackermoduls mithilfe eines 3-D-Messgerätes vorkalibriert und anschließend zusammen mit den Initiallängen sowie den Transformationsparametern in einem weiteren Kalibriervorgang identifiziert. Die experimentellen Vergleichsmessungen zeigten, dass die Messabweichungen des Multi-Lasertracker-Systems trotz der hohen Anzahl der Parameter im einstelligen µm-Bereich liegen.

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Nguyen, Tran-Trung: Entwicklung eines optischen Multi-Lasertracker-Systems zur berührungslosen Positionsbestimmung in kinematischen Systemen. 2014.

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