Laseroptische 3D-Konturerfassung, 1991 Modellierung und systemtheoretische Beschreibung eines Sensorsystems Fortschritte der Robotik Series, Vol. 8

1. Das Sensorsystem für die 3D—Konturerfassung.- 1.1 Aufgaben des Sensorrechners.- 1.2 Beschreibung der Scaneinheit.- 1.2.1 x/y—Scanner.- 1.2.2 ?/?—Scanner.- 1.3 Beschreibung des Abstandssensors.- 1.3.1 Funktionsweise des Abstandssensors.- 1.3.2 Baugruppen des Abstandssensors.- 1.3.2.1 Zentrale Takteinheit.- 1.3.2.2 Lasersender.- 1.3.2.3 Photoempfänger.- 1.3.2.4 Constant Fraction Trigger.- 1.3.2.5 Zeitquantisierung.- 1.3.2.6 Zeitdehnschaltung.- 1.3.2.7 Faseroptik.- 1.3.2.8 Spiegeloptik.- 2. Das Simulationsmodell des Sensorsystems.- 2.1 Motivation für das Simulationsmodell.- 2.2 Modellierung der zu vermessenden Kontur.- 2.2.1 Form der Kontur.- 2.2.2 Grauwert eines Konturpunktes.- 2.2.2.1 Orientierung der Tangentialebene in einem Konturpunkt.- 2.2.2.2 Richtcharakteristik der Streuung des einfallenden Lichts.- 2.2.2.3 Absorption des Lichts.- 2.3 Modellierung der elektronischen Komponenten.- 2.3.1 Modellierung des Lasersenders.- 2.3.2 Modellierung des Photoempfängers.- 2.3.3 Modellierung der Zeitmeßelektronik.- 2.4 Modellierung der Glasfaseroptik.- 2.4.1 Dämpfung der Glasfasern.- 2.4.2 Dispersion der Glasfasern.- 2.4.3 Erzeugung des Referenzsignals.- 2.4.4 Geregeltes optisches Dämpfungsglied.- 2.4.5 Kohärenz des Laserlichts in der Glasfaser.- 2.4.6 Abstrahlung am Faserende.- 2.4.7 Leistungsverteilung über dem Faserquerschnitt.- 2.4.8 Strahldichte.- 2.4.9 Einkopplung in die Empfangsfaser.- 2.5 Modellierung der Spiegeloptik.- 2.5.1 Modellierung der idealen Sammellinse.- 2.5.2 Modellierung der bikonvexen Linse.- 2.5.3 Modellierung des Spiegels.- 2.6 Durchrechnung der Spiegeloptik.- 2.6.1 Optische Leistungsdichte auf der Zielebene.- 2.6.2 Empfangsleistung als Funktion der Mefientfernung.- 2.7 Ebenes Simulationsmodell.- 2.8 Simulation weiterer Linsensysteme.- 3. Systemtheoretische Beschreibung der 3D—Konturerfassung nach dem Laserpulslaufzeitverfahren.- 3.1 Lichtflecke als Abtastapertur.- 3.2 Synthese des Empfangssignals.- 3.3 Gewinnung der Konturinformation aus dem Empfangssignal.- 3.3.1 Grauwertbild als Ergebnis der Konturvermessung.- 3.3.2 Gemessene Referenzlaufzeit.- 3.3.3 Gemessene Ziellaufzeit.- 3.3.4 Entfernungsbild als Ergebnis der Konturvermessung.- 3.4 Fehlerbehandlung.- 3.4.1 Deterministische Fehler.- 3.4.2 Statistische Fehler.- 3.5 Simulationsbeispiele.- 3.5.1 Simulation der Vermessung ebener Konturen.- 3.5.2 Simulation der Vermessung räumlicher Konturen.- 3.6 Meßbeispiel.- 3.7 Systemtheoretische Beschreibung weiterer Sensorsysteme.- 3.7.1 Abstandssensor mit Schwerpunktlaufzeitbestimmung.- 3.7.2 Abstandssensor nach dem Phasenvergleichsverfahren.- 4. Die Konturrestauration.- 4.1 Das inverse Problem.- 4.2 Das Adaptive Least Squares Verfahren.- 4.2.1 Die Glättungsfunktion.- 4.2.2 Die Gewichtungsfunktion.- 4.3 Räumlich und zeitlich lineare Beschreibung der Konturvermessung.- 4.3.1 Interpolation und Extrapolation von Konturpunkten.- 4.3.2 Aufstellung der Gleichungssysteme.- 4.3.2.1 Gleichungssystem für die Grauwerte.- 4.3.2.2 Gleichungssystem für die Zielentfernungen.- 4.3.3 Iterative Lösung über Teilgleichungssysteme.- 4.3.3.1 Serielles Verfahren.- 4.3.3.2 Paralleles Verfahren.- 4.4 Zeitlich lineare, räumlich nichtlineare Beschreibung der Konturvermessung.- 4.4.1 Langsam veränderliche Meßentfernung.- 4.4.2 Schnell veränderliche Meßentfernung.- 4.5 Allgemeine Beschreibung der Konturvermessung.- 4.6 Simulationsbeispiele.- 4.6.1 Qualitätskriterien zur Beurteilung der Restaurationsergebnisse.- 4.6.2 Erzeugung der Testkonturen.- 4.6.2.1 Erzeugung der ebenen Testkonturen.- 4.6.2.2 Erzeugung der räumlichen Testkonturen.- 4.6.3 Entstehung der gestörten Meßdaten.- 4.6.4 Monte—Carlo—Simulation der Restauration ebener Konturen.- 4.6.4.1 Einfluß des Normierungsfaktors der Gewichtungsfunktion.- 4.6.4.2 Einfluß der Ausdehnung der Gewichtungsfunktion.- 4.6.4.3 Extrapolation von Konturpunkten.- 4.6.4.4 Interpolation von Konturpunkten.- 4.6.5 Restauration ebener Konturen bei unterschiedlicher Modellierung des Meßvorgangs.- 4.6.6 Monte—Carlo—Simulation der Restauration räumlicher Konturen.- 4.6.6.1 Einfluß des Normierungsfaktors der Gewichtungsfunktion.- 4.6.6.2 Einfluß der Ausdehnung der Gewichtungsfunktion.- 4.7 Meßbeispiel.- 5. Zusammenfassung und Ausblick.- A. Anhang.- A.1 Berechnung des Strahlengangs durch eine ideale Sammellinse.