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Patents

  1. Advanced Patent Search
Publication numberWO2002035904 A2
Publication typeApplication
Application numberPCT/EP2001/012645
Publication date10 May 2002
Filing date31 Oct 2001
Priority date2 Nov 2000
Also published asDE10054282A1, WO2002035904A3
Publication numberPCT/2001/12645, PCT/EP/1/012645, PCT/EP/1/12645, PCT/EP/2001/012645, PCT/EP/2001/12645, PCT/EP1/012645, PCT/EP1/12645, PCT/EP1012645, PCT/EP112645, PCT/EP2001/012645, PCT/EP2001/12645, PCT/EP2001012645, PCT/EP200112645, WO 0235904 A2, WO 0235904A2, WO 2002/035904 A2, WO 2002035904 A2, WO 2002035904A2, WO-A2-0235904, WO-A2-2002035904, WO0235904 A2, WO0235904A2, WO2002/035904A2, WO2002035904 A2, WO2002035904A2
InventorsFriedrich Niederndorfer
ApplicantAbatec-Electronic Ag
Export CitationBiBTeX, EndNote, RefMan
External Links: Patentscope, Espacenet
Method and device for determining the position, orientation and/or deformation of an object
WO 2002035904 A2
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.
Claims  translated from German  (OCR text may contain errors)
Ansprüche : Claims :
1. Verfahren zum Bestimmen der Position, Orientierung und/oder Verformung eines Objektes, bei welchem a) von einem oder mehreren an dem Objekt angeordneten Signalgebern (AG, M) elektromagnetische Signale ausgesendet werden, wobei die Signalgeber (AG, M) derart gesteuert werden, daß die einzelnen Signale von- einander unterscheidbar sind; 1. A method for determining the position, orientation and / or deformation of an object, wherein a) one or more arranged on the object signal generators (AG, M), electromagnetic signals are transmitted, wherein the signal generator (AG, M) are controlled in such a way that the individual signals are each distinguishable of-; b) diese Signale auf wenigstens einen zweidimensional auflösenden Lagedetektor (PSD) projiziert und dort in zweidimensionale Lagekoordinaten umgewandelt werden; b) are projected these signals to at least a two-dimensionally resolving position detector (PSD) and converted into two-dimensional position coordinates; und c) aus den Lagekoordinaten die Position, Orientierung und/oder Verformung des Objektes bestimmt wird. and c) is determined from the position coordinates of the position, orientation and / or deformation of the object.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Aussenden der Signale von den Signalgebern (AG, M) derart gesteuert wird, daß die Signale beim Lagedetektor (PSD) zeitlich nacheinander in entsprechenden Zeitfenstern eintreffen. 2. The method of claim 1, wherein the transmission of the signals from the signal generators (AG, M) is controlled so that the signals at the position detector (PSD) arriving temporally successively 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 an 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 of claim 3, wherein the additional information is included as the coding in each signal.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem die Zusatzinformation dem jeweiligen Signal aufmoduliert wird. 5. The method of claim 4, wherein the additional information is modulated on 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 of claim 4 or 5, wherein the encoded or modulated additional information from the position detector (PSD) is directly decoded or demodulated.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei welcher die Zusatzinformation von einer separaten Empfangseinheit empfangen wird. 7. The method according to any one of claims 2 to 5, wherein the additional information is received by a separate receiver unit. i i
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Zusatzinformation von einem separaten Zusatzinformation-Sender übertragen wird. 8. The method in which the additional information is transmitted by a separate additional information transmitter of the preceding claims.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei welchem das Steuersignal für die SendeSteuerung der Signalgeber (AG, M) drahtlos an die Signalgeber (AG, M) übertragen wird. 9. The method according to any one of claims 2 to 8, wherein the control signal for the transmission control of the signal generator (AG, M) wirelessly to the signal generator (AG, M) is transmitted. 0 0
10 Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem das Steuersignal optisch, per Funk oder per Ultraschall übertragen wird. 10 The method of claim 9, wherein the control signal is optically transmitted 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 (AG) verwendet werden . 11. The method according to any one of the preceding claims, wherein the position of the moving object in the form of three orthogonal coordinates in space and the orientation is determined in the form of three orthogonal rotational angle in space at 5 wherein at least six signal generator (AG) can be used. 0 0
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem objektabhängig mehr als sechs Signalgeber (AG, 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 (AG, M) auf dem zweidimensionalen Lagedetektor (PSD) abgebildet werden. 12. The method of claim 11, in which are used according to the object more than six signal generator (AG, M) which are arranged on the object, that in any possible position, orientation or deformation of the object 5 always six signals of six different signal generators ( AG, M) (on the two-dimensional position detector PSD) are mapped.
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 is the electromagnetic signals 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 (AG, M) zum Aussenden elektromagnetischer Signale, wobei die Signalgeber (AG, M) derart gesteuert werden, daß die Signale voneinander unter- scheidbar sind; 14. An apparatus for determining the position, orientation and / or deformation of an object, comprising: 5 a) wherein the signal generator (AG, M) are controlled in such a way one or more arranged on the object signal generators (AG, M) for transmitting electromagnetic signals, that the signals are distinguishable from each other; b) wenigstens einem zweidimensional auflösenden Lagedetektor (PSD) , der derart ausgestaltet ist, daß die auf ihn projizierten Signale in zweidimensionale Lagekoordinaten umgewandelt werden; b) at least one two-dimensionally resolving position detector (PSD), which is designed such that the projected onto him signals are converted into two-dimensional position coordinates; und c) einer Auswerteschaltung zum Bestimmen der Position, Orientierung und/oder Verformung des sich bewegenden Objektes aus den Lagekoordinaten. 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 (AG, M) derart, daß die Signale der Signalgeber (AG, M) beim Lagedetektor (PSD) zeitlich nacheinander in entsprechenden Zeitfenstern eintreffen. 15. The apparatus of claim 14, comprising a control circuit for controlling the signal generator (AG, M) such that the signals of the signal generator (AG, M) at the position detector (PSD) arriving temporally successively in corresponding time windows.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, bei welcher jeder Signalgeber (AG, M) derart ausgestaltet ist, daß er zusammen mit dem Signal eine Zusatzinformation zum Identifizieren des von ihm ausgesandten Signals überträgt. 16. The device is configured according to claim 13 or 14, wherein each signal generator (AG, M) such that it transmits an additional signal together with the information for identifying the signal emitted by it.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei welcher jeder Signalgeber (AG, M) derart ausgestaltet ist, daß die Zusatzinformation als Codierung in dem von dem Signalgeber (AG, M) gesendeten Signal enthalten ist. 17. The apparatus of claim 16, wherein each signal generator (AG, M) is designed such that the transmitted signal, the additional information as in the encoding of the signal generator (AG, M) is contained.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei welcher ' jeder Signalgeber (AG, M) derart ausgestaltet ist, daß die Zusatzinformation dem von dem Signalgeber (AG, M) gesendeten Signal aufmoduliert ist. 18. The apparatus (M AG) is configured according to claim 17, wherein 'of each signal transmitter, that the additional information signal to that of the signal generator (AG, M) transmitted is modulated.
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 encoded or decoded modulated additional information and demodulated.
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 is provided for receiving the additional information further comprises a separate receiver unit.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, bei welcher ein mit den Signalgebern (AG, M) gekoppelter Zusatzinformation-Sender zum Senden der Zusatzinformation vorgesehen ist . 21. A device in which a with the signal transmitters (AG, M) coupled additional information transmitter is provided for sending the additional information according to any one of claims 14 to 20th
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, bei welcher eine Steuersignal-Übertragungseinheit zum drahtlosen Übertragen des Steuersignals an die Signalgeber (AG, M) vorgesehen ist, welches das Aussenden der Signalgeber steuert . 22. The device according to any one of claims 15 to 21, wherein a control signal transmission unit for wirelessly transmitting the control signal to the signal generator (AG, M) is provided, which controls the transmission of the signal transmitter.
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 optically transmitted by radio or by ultrasound.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 23, bei welcher wenigstens sechs Signalgeber (AG) 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, wherein at least six signal generator (AG) can be used and the evaluation circuit is designed such that the position of the moving object in the form of three orthogonal coordinates in space and the orientation in the form of the three orthogonal rotation angle in space is determined.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, bei welcher objektabhängig mehr als sechs Signalgeber (AG, 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 (AG, M) auf dem zweidimensionalen Lagedetektor (PSD) abgebildet werden. 25. The device of claim 24, are used in which object-dependent over six signal generator (AG, M), WEL before are arranged on the object that "at any possible position, orientation and / or deformation of the object always six signals from six different signal generators (AG, M) on the two-dimensional position detector (PSD) are mapped.
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 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) a PSD detector.
Description  translated from German  (OCR text may contain errors)

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Position, Orientierung und/oder Verformung eines Objektes Method and apparatus 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 . The invention relates to a method and apparatus for determining the position, orientation and / or deformation of an object. D D

Oftmals ist es wünschenswert die Flugbahn und genaue Bewegung eines Objektes analysieren zu können. It is often desirable to be able to analyze the trajectory and accurate movement of an object. Beispielsweise werden im Sportbereich Analysen von Bewegungsabläufen, insbesondere unter Einsatz modernster Technik immer stärker nachgefragt. For example, in sports analysis of movements, increasingly in demand in particular by using the latest technology. 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. Sun, 5 are nowadays already to a large extent takes video analysis, for example, where the analyte impact of a tennis or golfer is recorded on tape and is then analyzed by a sports Lore by playing the tape in slow motion. Aufgrund der zweidimensionalen Aufzeichnung 0 eines in drei Dimensionen stattfindenden Bewegungsablaufs ist es jedoch schwierig, genaue Analysen erstellen zu können. However, due to the two-dimensional map of 0 takes place in three dimensions motion sequence, it is difficult to produce accurate 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. Thus, some methods and devices are already known from the prior art, with which the position and orientation of an object 5 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. The publication EP 0704715 Al, for example, shows a ported tables system for the determination, the initial trajectory of a golf ball, the basketball, soccer ball, etc. For this purpose, a plurality of reflective or high-contrast area markings are applied to the D object. Diese Flächenmarkierungen werden von einer oder zwei Kameras aufgenommen, indem eine Kamerablende synchron mit dem Aussenden eines Blitzlichtes geöffnet wird. This surface marks are recorded by one or two cameras by a camera shutter is opened in synchronism with the emission of a flash. Somit zeichnet die Kamera also ein Lichtmuster aller sichtbaren Flä- 5 chenmarkierungen in Form von Momentaufnahmen auf. Thus, so the camera records a pattern of light of all visible area-5 chenmarkierungen in the form of snapshots. Die Position und Orientierung des Golfballes wird anschließend aus den erhaltenen zweidimensionalen Kameradaten der Flächenmarkierungen und Kalibrierungsdaten bestimmt. The position and orientation of the golf ball is then determined from the obtained two-dimensional camera data of the surface markings and calibration data. 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. The calibration data before the system by recording 20 Fl - chenmarkierungen of an object whose position and orientation is known ', and determines the focal length, orientation and position of the camera. Von der Kamera wird lediglich das von beispielsweise 6 Markierungen stammende Lichtmuster aufgezeich- net, das somit 6 voneinander ununterscheidbare Lichtflecke zeigt. From the camera only the light originating from, for example, 6 marks light pattern aufgezeich- net, which thus shows indistinguishable from each other 6 is light spots. Die Auswerteelektronik muß schließlich jedem aufgezeichneten Lichtfleck die zugehörige Markierung auf dem Golfball (zB unter Analyse des zuvor aufgenommen Lichtmusters und einer Bewegungsvorhersage) zuordnen. The transmitter must finally assign each recorded light spot the corresponding mark on the golf ball (eg, analysis of previously recorded light pattern and motion prediction). 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. This is possible as long as the light spots from shoot to shoot move only slightly on the camera recording area (if the time between shots is too large, such an assignment is no longer unique possible) and the degrees of motion of the object, in particular with regard to a distortion of - the same, are not too large.

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, the known method and the associated apparatus further from the prior art such that the position, orientation aids been accredited and / or deformation determination, in particular independent of the recording speed and the Bewegungsfreiheits- grade, is clearly ,

Die Erfindung löst diese Aufgabe jeweils mit den Gegenständen der Ansprüche 1 und 14. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen beschrieben. The invention achieves this object in each case with the objects of claims 1 and 14. Preferred 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. Accordingly, a method for determining the position, orientation and / or deformation of a particular moving object is provided in which one or more arranged on the object signal transmitters, electromagnetic signals are transmitted, wherein the signal generators are controlled such that the individual signals from each other are distinct, these signals are projected onto at least a two-dimensionally resolving position detector and converted into two-dimensional position coordinates and the position, orientation and / or deformation of the (moving) object is determined from the position coordinates. 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) . the position, orientation aids been accredited is advantageously and / or deformation firstly facilitates determination with the additional identification of each signal, since there is no mathematical identification methods are required and secondly unique (see above). 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. Here, the Si gnalgeber light signals can transmit at different frequencies, wherein the position detector or an additionally arranged at the position detector the detector can identify the respective frequencies in a simple marking possible variant. Zudem können mehrere Lagedetektoren, für jede Frequenz ein Lagedetektor, eingesetzt werden, die beispielswei- se Filter vor ihrer Aufnahmefläche haben und somit frequenzselektiv arbeiten. In addition, several position detectors, a position detector are used which beispielswei- se filter can, for each frequency have prior to receiving surface and thus operate a frequency-selective. 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. This simple identification is now possible, as in the invention - be used actively luminous signal transmitter instead of passive reflectors - in contrast to the above described prior art. 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. Depending on the number of translation, rotation and deformation degrees of freedom of the object and the number of position detectors a certain minimum number of signal transmitters provided on the object is required. Diese ,_,Signalgebern können zu Gruppen zusammengefaßt werden und an verschiedenen Orten am Objekt angebracht werden. This, _, signal generators can be grouped together and attached to different locations on the object. Insbesondere werden solche Gruppen an Stellen des Objektes angebracht, die sich zu anderen Stellen des Objektes bewegen können. In particular, such groups are attached to parts of the object, which can move to other locations of the object. 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 . Comprising the object, for example, a pivot joint, such a group may each be rigidly attached to signal transmitters on a pivot arm of the pivot joint, each group De- pending umfaß a certain number of signal transmitters from the translational and rotational degrees of freedom of the respective pivot arm.

Bevorzugt wird das Aussenden der Signale von den Signalgebern derart gesteuert, daß die Signale beim Lagedetektor zeitlich nacheinander- in entsprechenden Zeitfenstern eintreffen. the transmission of the signals from the signal transmitters is preferably controlled such that the signals at the position detector arrive temporally nacheinander- in corresponding time windows. 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. Thus a frequency resolution position detector must be used not necessarily, since a corresponding control circuit in the signal transmitters and a corresponding evaluation circuit at the location detector (which are synchronized with each other) is established at any time, which signal giver sent. 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) . Advantageously, a so-called PSD-detector (position sensitive detector) can be used which outputs per time window, the coordinates of a single image projected onto him light spot (for example, when a light signal is used as an electromagnetic signal). 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. It can transmit their signals at the same time in this embodiment, for example, two switches, provided that the signal transmitters are located at two overall opposite sides of an object and the position detector thereby receives at any given time only one of the two signals depending on the orientation of the object.

Bevorzugt wird zusammen mit jedem Signal eine Zusatzinformation zum Identifizieren des ausgesendeten Signals übertragen. together with each signal an additional information for identifying the emitted signal is preferably transmitted. Dies kann die oben bereits angesprochene Frequenz des Signals sein. This may be the already mentioned above frequency of the signal. Alternativ ist die Zusatzinformation bevorzugt als Codierung in jedem Signal enthalten. Alternatively, the additional information is preferably contained as the coding in each signal. Besonders bevorzugt kann die Zusatzinformation dabei dem jeweiligen Signal aufmoduliert werden. Particularly preferably, the additional information can then be modulated onto the respective signal. Die Modulation kann eine Frequenz-, Phasen- oder Amplitudenmodulation sein. The modulation may be frequency, phase or amplitude modulation. Diese Zusatzinformation kann dabei zusätzlich oder alternativ zu der Maßnahme eingesetzt werden, die Signale in festen Zeitfenstern zu senden. This additional information can be used in addition to or as an alternative to the measure about to send the signals at fixed time windows. Ersteres erhöht die Identifikationssicherheit . The former increases identification reliability.

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. If the position detector from its processing speed to be able, the encoded and modulated additional information can be preferably directly decoded or demodulated by the position detector. Dies erübrigt eine zusätzliche Emp- fangseinheit . This eliminates catch unit an additional recom-. 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. Is the frequency with which the individual signals are transmitted successively in time, however, further increased (for example, to achieve a finer position resolution even at high object velocities), so it may be necessary to receive the additional information preferably by a separate receiver unit. Der Lagedetektor beschäftigt sich dann allein mit der Ausgabe der zweidimensionalen Lagekoordinaten der eintreffenden Signale. The position detector then deals solely with the issue 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. the additional information from a separate additional information transmitter is transmitted preferentially attached for example to the object. Hierzu kann eine Steuerschaltung am Objekt vorgesehen werden, welche das Senden der einzelnen Signalgeber steuert. For this purpose, a control circuit may be provided on the object, which controls the sending of each signal transmitter. 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 control signal used for this purpose is then also transmitted via the additional information channel to a corresponding evaluation circuit coupled to the additional information receiving unit, in particular wirelessly, for example via radio, ultrasonic 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. the position of the moving object in the form of three orthogonal coordinates in space and the orientation in the form of three orthogonal rotational angle is preferably determined in the room, for which purpose at least seven signaling devices are used. 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. Thus, it is already equipped with a position detector and seven Si- gnalgebern possible, which are arranged rigidly to a rigid object that the position detector can receive their signals in each position and orientation of the object, the position and orientation in all three translational and three rotational degrees of freedom to determine. 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. If the object is in itself not stiff, but for example the joints deformable, so the deformation of the object can be determined by suitably arranged signal transmitter.

Bevorzugt werden jedoch objektabhängig (dh 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, more than seven signaling devices are preferably used according to the object (ie, for example, even with larger rigid objects), which are arranged on the object that always seven signals from seven different signal transmitters are mapped to the two-dimensional position detector in any 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 infrared light signals advantageous firstly show a good directional effect and secondly, not so strongly disturbed by ambient light are preferred.

Die Erfindung sowie weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nunmehr anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. The invention and further advantages and features of the invention will now be further explained by means of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. In der Zeichnung zeigen: In the drawing:

Fig. 1 in schematischer Ansicht die Anordnung -von vier an einem Objekt angebrachten Signalgebern und eines Lagedetektors mit Optik, i Fig. 1 shows a schematic view of the arrangement -from four attached to an object signal transmitters and a position detector with an optical system, 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 dem Fig. 2 shows a schematic view of a first example in which two position detectors PSD1 and PSD2 and a single attached to the object signal transmitter L are used, figure 3 'in a schematic view a second example in which a position detector PSD and two attached to the object signal transmitter Ll and L2 are used, Figure 4 shows a schematic view of 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. are object mounted signal generator Ll and used L2, however, the object in comparison to figure 3 has other degrees of freedom, figures 6a, b, c schematically show three views in the xyz, the xz and yz-plane the position and orientation of an object whose position is determined with a position detector and seven attached to the object signal generators.

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. Fig. 1 shows a schematic view of an arrangement of four to one (not shown) object, such as a golf club head mounted signaling devices A to C and M, which are in a fixed position to each other. Sollten die Signalgeber beweglich zueinander sein, so sollte für die anschließende Auswertung zu jedem Auswertezeitpunkt immer die genaue Lage der Signalgeber zueinander bekannt sein. If the signal transmitter to be flexible to each other, so should always be known to each other for subsequent evaluation for each evaluation time, the exact location of the signal transmitter. 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. In the figure 1, the signal transmitter A to C and M at a signal generating unit forming tripod mounted, with the three signal transmitters A to C at the leg ends and the signal generator M in the center. Diese Signalgeber A bis C und M können auch an beliebigen Positionen eines starren Objektes, dh ohne das Dreibein, oder über ein beliebig geformtes Gestell, dh anders als das Dreibein, an dem Objekt angebracht sein. This signal encoder A to C and M can also at any positions of a rigid object, that is, without the tripod, or an arbitrarily shaped frame, that is, be different from the tripod attached to the object. 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, zB 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. Further, a plurality of such three legs may be attached at various positions of an object with four signal generators A to C and M, so that either different movements of an object, such as 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. 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°, dh bei der Vorder- und Rückseite mit Bezug auf einen Beobachtungsstandpunkt vertauscht sind, die Objektbewegung weiter verfolgt werden. In the latter case, for example, for an object at the front and back of each such a tripod is mounted, even when an object rotation of 180 °, that are reversed in the front and back with respect to a point of observation, the object motion to be pursued. 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. Conversely, the object movement can of course be of course also of two opposite position detectors tracked regardless of the position and orientation of the object (behind and in front of the object) at only a tripod on the front or rear of the object. 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. Thus, it depends on all of configuration of the object where the individual tripods or switches or the individual position detectors need to be arranged to make nen determine all object movements for kön-.

Die Signalgeber A bis C und M können beispielsweise einfache in einen Halbraum isotrop ausstrahlende Leuchtdioden sein, insbesondere Infrarot-Leuchtdioden. The signal generator A to C and M may be as simple isotropic radiating into a hemisphere-emitting diodes, in particular infrared LEDs. 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. For the rest, but all types of signal transmitters, which can emit an electromagnetic, acoustic or optical signal, provided that a corresponding position detector on the basis of the incoming signal may indicate the direction from which the signal was transmitted are suitable.

In der Figur 1 ist die sensitive Aufnahmefläche eines solchen zweidimensional auflösenden Lagedetektors 1 gezeigt. In Figure 1, the sensitive recording surface of such a two-dimensionally resolving the position detector 1 is shown. 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. In this receiving area of the light emitted from the individual infrared light emitting diodes as a signal generator A to C and M infrared light beam via a projection lens 2 is projected. Der Lagedetektor PSD ist bevorzugt ein PSD-Detektor (position sensitive detector) , der unmittelbar die x- und y-Koordinate der Bildpunkte B A bis B c und B M der jeweiligen Signale der Signalgeber A bis C und M als Lagekoordinaten ausgibt. The position detector PSD is preferably a PSD detector (position sensitive detector), the immediately the x- and y-coordinate of the pixels B A to B c and B M of the respective signals of the signal transmitters A to C and M outputs, as position coordinates. 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. The advantage of this position detector is that already detector internally of the focus an incident light spot is determined and only the x and y coordinates of the centroid are output. 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. Such a cost-effective and highly accurate in resolution position detector but only the center of gravity coordinates of a single light spot or a more complicated pattern of light may output, but this is fully sufficient in this case from the treated following reasons.

So werden die optischen Signale der einzelnen Signalgeber A bis C und M nämlich zeitlich nacheinander ausgesendet. Thus, the optical signals of the individual signal transmitter A to C and M are in fact emitted in temporal succession. Das Aussenden kann dabei in einer sich periodisch wiederholenden Abfolge fest vorgegebener Zeitfenster erfolgen. The transmission can take place in a periodically repeating sequence permanently prescribed time window. 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. After a period in which all the signal transmitters have successively sent its signal can be carried a short break to mark the beginning of a new period. 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. For this purpose, in the signal generators A to C and M a corresponding control circuit may be provided, the evaluation circuit with a corresponding downstream of the location detector off from time to time (for example, only at the beginning of the position determination) are synchronized.

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. For the communication with the individual signal generators A to C and M (for example, for the control thereof) or for the synchronization of the individual signal transmitter A to C and M can FER ner an optical transmitting unit to the position detector are used, the individual signal transmitter A to C and M and / or controls signaling units and determines which signal generator A can send to C and M and / or signaling units at what time. 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. For this purpose, one or more optical receiving units provided and a logic circuit at each signal transmitter A to C and M, or at each switch unit, which decides whether, how and when is allowed to be sent. Die Kommunikation bzw. Synchronisation der Signalgeber A bis C und M kann dabei auch über Funk, Ultrasschall, etc. erfolgen. Communication and synchronization of the signal transmitter A to C and M can be carried by radio, ultra sound, etc.. 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. If for example a signal generator unit is activated with a plurality of signal transmitters A to C and M to emit their signals, the logic circuit of the associated signal generating unit may generate the individual transmission windows for their respective signal transmitter A to C and M. 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 . The information on the sequence of the transmitting window is either at the downstream of the location detector evaluation circuit known or it is once again sent from the logic circuit returns to a respective receiving unit in the position detector and then the evaluation circuit is provided. 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. If it is required to pass through the individual optical signals are different in addition or alternatively to the transmission in fixed time windows of each other, the signals can be marked accordingly. Dazu werden die optischen Signale beispielsweise verschieden moduliert oder codiert. For this purpose, the optical signals are, for example, different modulated or coded. Falls die Modulationsart bzw. die Codierung genügend langsam ist, könnte der Lagedetektor selbst die optischen Signale demodulieren bzw. decodieren, um sie zu identifizieren. If the modulation and the coding is sufficiently slow, the position detector could even demodulate the optical signals and decode in order to identify them. Wenn jedoch schnellere Modulationsarten bzw. Codierungen eingesetzt werden, kann zusätzlich zu dem Lagedetektor, insbesondere in dessen unmittelbarer Nähe, eine optische Empfangseinheit (zB ein Infrarot-Empfänger) verwendet werden, welche ausschließlich das eintreffende Signal demoduliert bzw. decodiert, jedoch keine Lagebestimmung vornimmt. However, if faster modulation types and codes are used (an infrared receiver, for example) in addition to the position detector, in particular in the immediate vicinity thereof, an optical receiving unit are used, which only demodulates the incoming signal or decoded, but does not make a location determination. 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. The demodulated and decoded signal of the optical receiving unit, together with the substantially same output position signal (x and y coordinates) represents the information which has signal transmitters A to C or M being sent.

Prinzipiell können zur Auswertung der von den Signalgebern A bis C und M gesendeten optischen Signale ein oder mehrere Lagedetektoren verwendet werden. In principle, the evaluation of the sent from the signal transmitters A to C and M optical signals, one or more position detectors may be used. Bei zwei Lagedetektoren im bekannten Abstand zueinander kann eine dreidimensionale Bestimmung der Objekt-Koordinaten ermöglicht werden. In two position detectors in the known distance from one another a three-dimensional determination of the object coordinates can be made possible. Durch verschiedene Einschränkungen der Bewegungsfreiheit des Objektes ergeben sich Sonderfälle, welche die anschließende Positionsberechnungen vereinfachen. to special cases which simplify the subsequent position calculations show by various restrictions on the movement of the object. Diese Sonderfälle werden nachfolgend anhand jeweils eines speziellen Beispiels beschrieben. These special cases are described below with reference to each of a specific example. 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. Finally, an example for the general case is shown in which the position (spatial coordinates) as well as the rotations of the axes of an otherwise rigid object can be calculated both. 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. For a deformable object just as many signal generator A can be attached to C and M in addition at different points of the object, which can move towards each other, that the movement of these points from the signals of this point, the assigned transducer and the already determined position and orientation of the whole object and the other movable 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. 2 shows a first specific example in which two position detectors PSDL and PSD2 and a single attached to the object signal transmitter L are used. Mit dieser Konstellation können zwar die Raumkoordinaten des Objektes, jedoch keinerlei Verdrehungen des Objektes berechnet werden. With this configuration, although the spatial coordinates of the object, but no twisting of the object can be calculated. Es wird angenommen, daß der Abstand der Lagedetektoren PSDl und PSD2 bekannt ist. It is assumed that the distance of the position detectors PSDL and PSD2 is known. 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 . the two x- and y-coordinates of the imaged on the two position detectors PSDL and PSD2 pixels of the signal transmitter L are read for determining the position of the object and supplied to an evaluation circuit. 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. From these coordinates of the two position detectors PSD 1 and PSD2 and the focal length of the two (not shown) projecting lenses can be given knowledge of the orientation and position in front of the position detectors PSDL and PSD2 derive the directions of the incident light rays. Der Schnittpunkt der beiden Richtungen ergibt die 3D-Koordinaten des Objektes. The intersection of the two directions results in 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. In this variation, the time sequential emission of light signals from the signal generator L may trigger such as the Auswertetakt the evaluation circuit. Durch Erhöhen der Sendefrequenz wird somit die Auflösung der Positionsbestim- mung genauer. the resolution of the position determination is thus more accurately by increasing the transmission frequency. Umfaßt das Objekt beispielsweise einen integrierten Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsmesser, so kann die Sendefrequenz abhängig von der gemessenen Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung eingestellt werden. Comprising the object, for example, a built-in speed or accelerometer, the transmission frequency can be adjusted depending on the measured speed or acceleration. Auch hier findet somit erfindungsgemäß eine Unterscheidung der einzelnen von dem einen Signalgeber L ausgesendeten Lichtsignale statt. Here, too, thus distinguishing the individual from a signal generator L emitted light signals takes place according to the invention.

Ein Anwendungsbeispiel für diesen einfachen Aufbau wäre die Messung der Kopfbewegung eines Golfspielers, wenn Kopfdrehungen nicht weiter bestimmt werden sollen. An application example of this simple structure would be to measure the head motion of a golfer when head movements are not to be further 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. 3 shows a second specific example in which a position detector PSD and two attached to the object signal transmitter Ll and L2 are used. 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. Further, it is assumed that the object can move parallel to the position detector PSD in a plane only and the distance of this plane to the position detector PSD is known. Außerdem soll lediglich eine Drehung des Objektes in dieser Ebene erlaubt sein, dh daß die zwei Signalgeber Ll und L2 ebenfalls immer in der Ebene bleiben. Moreover, only a rotation of the object should be allowed in this plane, ie that the two switches Ll and L2 also remain in the plane. Bei die- ser Konstellation können die Koordinaten des Objektes in der Parallelebene und der eine Drehwinkel berechnet werden. In DIE ser constellation, the coordinates of the object in the parallel plane and the rotational angle can be calculated. 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. From the successively recorded in time x and y coordinates of the two pixels illustrated on the position detector PSD, the two directions of the incident light beams can, in each case by the signal generator and the signal transmitter Ll L2, deduced. 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. may be prepared from the two directions and the distance between the parallel plane to the position detector PSD then in a first step, the coordinates of the signal transmitter Ll and L2, and thus the coordinates of the corresponding object (at known fixed arrangement of the signal transmitter Ll and L2 on the object) a, and in the second step of this level are determined in a rotational angle of the object.

Ein Anwendungsbeispiel für diese Konstellation ist die Beinbe- wegung eines Golfspielers entlang einer Parallelebene. An application example of this is the constellation Beinbe- 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. In the constellation of FIG 4, a further degree of freedom at the following assumption is yet determined: the object is to be able to rotate on the one hand in a plane parallel and move and on the other hand, the parallel plane should be able to move in the depth. Der Abstand der beiden Signalgeber Ll und L2 ist wiederum bekannt. The distance between the two signal transmitters Ll and L2 is again known. 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. With this constellation, so the distance between the parallel plane to the position detector PSD and the rotation angle and the position of the object within the parallel plane are calculated. 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: L2 is the distance g of the parallel plane to the position detector PSD as follows can be determined from the knowledge that the signalers Ll and L2in a plane parallel to the position detector PSD are located and from a determination of the distance of the image points of the two signal transmitters Ll and to each other:

L 2 ~ X g = e (1) B 2 - B 2 wobei L 2 -Lι der bekannte Abstand der beiden Signalgeber Ll und L2 voneinander ist, B 2 -B- L der berechenbare Abstand der beiden Bildpunkte der beiden Signalgebern Ll und L2 und e die Brennweite der Proj ktionslinse ist. L 2 ~ X g = e (1) B 2 - B 2 where L 2 -Lι the known distance between the two signal transmitters Ll and L2 from each other, B 2 -B L of predictable distance of the two image points of the two signal transmitters Ll and L2 and e is the focal length of the Project is ktionslinse. Die Figur 4 verdeutlicht den obigen Sachverhalt. Figure 4 illustrates the above facts.

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 may - as explained above - the two directions of the incident light beams gnalgebern from the x and y coordinates of the two image points imaged on the position detector PSD of the Si Ll and determined L2 and finally out of the determined directions and the distance between the position the object in the parallel plane and the rotation angle are 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 of this is the constellation of destination 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. Figures 5a and 5b show in two views in the yz and the xz plane, the position and orientation of an object whose position is to be determined with a position detector PSD and three attached to the object signal transmitters A, B and C, and the corresponding three pixels on the position detector. 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. In this example, the position of the object to be determined in space, while the turns of the object is limited only to rotate in the yz plane. Die drei Signalgeber A bis C sind hierbei rechtwinkelig zueinander angeordnet, dh sie liegen an den Ecken eines rechtwinkligen Dreiecks mit dem Signalgeber B an der Ecke mit dem rechten Winkel . The three signal generators A-C are in this case arranged at right angles to each other, ie they are located at the corners of a right-angled triangle with the signal generator B at the corner of the right angle. Die Abstände AB und CB der Signalgeber A bis C haben die Länge a/2 und stehen - wie gesagt - orthogonal zueinander. The distances AB and CB of the signal transmitter A to C are of length a / 2 and are - as said - orthogonal to each other. Aus dieser Kenntnis können die Abstände g A , gs und gc der Signalgeber von der Projektionslinse und der Drehwinkel φ in der yz-Ebene wie folgt bestimmt werden: From this knowledge, the distances A g, gs and g c of the signal generator from the projection lens and the rotation angle φ in the yz-plane as can be determined follows:

Figure imgf000014_0001
wobei G ÄX und G Ay die x- und y-Koordinaten des Signalgebers A, B A x un d B Ay 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 . wherein G AEX and G Ay the x and y coordinates of the signal generator A, B A x un d B Ay the x and y coordinates of the image points of the signal transmitter A in the position detector PSD, g is the distance of the signal generator A of is the projection lens, and e is the focal length of the projection lens (or the distance between the projection lens to the receiving surface of the position detector PSD). In den Figuren 5a und 5b sind noch die y-Koordinaten G By und Gc y der Signalgeber B und C sowie die x- und y-Koordinaten B Bx , B x und B By , B Cy der Bild- punkte der Signalgeber B und C eingezeichnet . In Figures 5a and 5b are still the y-coordinate G By and Gc y of the signal transmitters B and C as well as the x- and y-coordinates B Bx, B x and B By, B Cy of the image points of the signal transmitters B and C located.

Für die Signalgeber B und C ergeben sich aus den Abbildungsgesetzen analoge Gleichungen. result for the signal generator B and C of the imaging laws analog equations. 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) : Since the three signal transmitters are always A to C for all values of the rotation angle in the yz plane, is considered (as well as from Figure 5b is slightly visible):

G Ax = G Bx = G Cx ( 3 ) Ax = Bx G G G = Cx (3)

Der Drehwinkel φ läßt sich - wie aus der Figur 5a leicht er- sichtlich wird - aus den Differenzabständen g A -g B bzw . Lets φ the angle of rotation - as from the Figure 5a slightly ER clearly is - from the difference intervals g -g A B respectively. g B -gc ableiten : g B -gc derived:

Figure imgf000015_0001

Aus dem Verhältnis der Differenzabstände und den Abbildungsgleichungen erhält man den Drehwinkel φ auch folgendermaßen: is obtained from the ratio of the difference distances and the imaging equations φ the angle of rotation instead:

= B ? = B? BB (5) BB (5)

Figure imgf000015_0002

Damit läßt sich der Abstand des Signalgebers B von der Projektionslinse (und damit die Objektposition) auch wie folgt schreiben: This also can be written as the distance of the signal transmitter B leaves from the projection lens (and thus the object position):

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. A concrete example would be the determination of the forward and backward movement of the back of a golfer along a Li never with an additional twist in this 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. Figures 6a, b and c show in three views in the xyz, the xz and yz-plane the position and orientation of an object whose position is to be determined with a position detector PSD and seven attached to the object signal transmitters A to G , Bei diesem allgemeinen Beispiel soll die Position des Objektes im Raum sowie alle drei Drehwinkel im Raum bestimmt werden. In this general example, the position of the object in space and all three angle of rotation is to be determined in the room. In der Figur 6a ist die geometrische Anordnung der 7 Signalgeber A bis G gezeigt. In the Figure 6a, the geometrical arrangement of the signal generator 7 A to G is shown. 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. The signal transmitter A to G are so Toggle ordered such that the distances BA, BC, BE BG and the length a / 2, and the lines BD and BF the length of v3 / 4 have. Das Koordinatensystem ist ferner so gewählt, daß die Orte aller Signalgeber anfangs direkt auf den Koordinatenachsen x, y und z liegen. The coordinate system is also chosen so that the locations of all signal transmitters are initially directly on the coordinate axes x, y and z. 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. Thus, the signal transmitter A and C are thus on the x-axis, the sensors D and F on the y-axis and the signal generator E, and G on the z-axis and the B signal generator at the center of the coordinate axes. Diese geometrische Anordnung der sieben Signalgeber A bis G kann im kartesischen Koordinatensystem verschoben und verdreht werden. This geometric arrangement of the seven signal transmitter A to G can be moved in the Cartesian coordinate system and twisted. Dabei wird der Signalgeber B im Mittel- punkt der Anordnung um die Koordinaten G Bx , G By und G Bz gegenüber dem anfänglichen Koordinatensystem verschoben. In this case, the signal generator B is moved in the focus of the assembly about the coordinates Bx G, G and G By Bz with respect to the initial coordinate system. Der Winkel φl beschreibe eine Drehung um die y-Achse, der Winkel φ2 eine The angle φl describe a rotation about the y-axis, the angle φ2 a

Drehung um die x-Achse und der Winkel φ3 eine Drehung um die z- Achse . Rotation about the x-axis and the angle φ3 a rotation about the z-axis.

Die sieben Signalgeber A bis G haben die folgenden Koordinaten im Raum: A:= The seven auto switch A to G have the following coordinates in space: A: =

Figure imgf000017_0004

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 pictures of the seven signal transmitter A to G on the position detector PSD have the following coordinates:

Figure imgf000017_0005

Figure imgf000017_0002

Die Koordinaten der Signalgeber A und C bis G im Raum können abhängig von den Koordinaten des Signalgebers B und der drei The coordinates of the signal generators A and C to G in the space may vary depending on the coordinates of the signal generator B, and the three

Drehwinkel φl, φ2 und φ3 folgendermaßen dargestellt werden: Rotation angle φl be represented φ2 and φ3 as follows:

G Ax = G Bx - sin(φ 2 ) • sin(^ ) • sin( ) + - cos(^ ) • cos( ) a G = G Ax Bx - sin (φ 2) • sin (^) • sin () + - cos (^) • cos () a

G Ay = G 'BB.y + ^cos(&)-sin( ) (9) Ay G = G 'BB.y + ^ cos () - sin () (9)

G Az = G Bz - sin(^ 2 ) • sin(ξ ) • cos( ) - - cos( ) • sin( ) G = G Az Bz - sin (^ 2) • sin (ξ) • cos () - - cos () • sin ()

G c x ) • cos( ) G c x) • cos ()

Figure imgf000017_0003

G, r a r Cy s( )-sin( ,) aa G, r a r Cy s () -sin (,) aa

G a = G BZ + 2 ■ sin( , ) • sin(^ 3 ) • cos( ) + - cos(^ ) • sin( ) G a G = BZ + 2 ■ sin (,) • sin (^ 3) • cos () + - cos (^) • sin ()

(10) G D Dxx = 'lBx ) - cos( ) (10) G D = Dxx 'LBX) - cos ()

Figure imgf000018_0001
3 3

Gθ — = ^ G B B y y + o - cos(^ 2 ) cos(^) (11) Gθ - = ^ G B B y y + o - cos (^ 2) cos (^) (11)

[3 " IT [3 "IT

G 'Dnz, = GJ B B z r - a Λ - 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 fö, - sin () (12)

G a = G B, - 2 cos ( ) • cos ( ) G a = G B - 2 cos () • cos ()

* = G ßJC + a^- m(φ 2 ) cos(φ 3 ) • sin( ) + a - sin(^ ) • cos( ) * = G ßJC + a ^ - m (φ 2) cos (φ 3) • sin () + a - sin (^) • cos ()

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)

a a

G Gx G Bx +-cos(φ 2 )-sin(φ) a G G G x Bx + cos (φ 2) -sin (φ) a

G a y = G By +-sin(φ 2 ) (14) a G a y = G By + -sin (φ 2) (14) a

G G2 = G B∑ +-cos(φ 2 )- cos(^) G G2 = G + cos (φ 2) - cos (^)

Ferner ergeben sich - wie aus den Figuren 6b und 6c leicht er- sichtlich wird - die folgenden Gleichungen über das Abbildungsgesetz: Further arise - such as of Figures 6b and 6c is easily visibly ER - the following equations on the imaging law:

B Ax G Ax B Ay G Ay und (15) Ax Ax B G B G Ay Ay and (15)

G Az e G Az G Az e G Az

Für die Signalgeber B, C, D, E, F und G ergeben sich analoge Gleichungen. Analogous equations are obtained for the signal generator B, C, D, E, F and G. 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 G Bz in Abhängigkeit der Koordinaten der Bildpunkte und der jeweils bereits berechneten Drehwinkel beschrieben werden. From these obtained via the imaging law equations (15) and the above-established equations (9) to (14) can φ2 and φ3, and the distance G Bz are described depending on the coordinates of the image points and the already calculated in each rotation angle, the rotation angle φl.

Drehwinkel φ3 : Rotation angle φ3:

Figure imgf000019_0001

Drehwinkel φ2 : Rotation angle φ2:

oder or

Figure imgf000019_0002
Drehwinkel φl Rotation angle φl

Figure imgf000019_0003
Abstand g B : Distance g B:

oder or

oder or

Figure imgf000020_0001

Aus den berechneten Drehwinkeln φl, φ2 und φ3 sowie dem Abstand g B können über die Gleichungen (9) bis (14) die Koordinaten der Punkte A,B,C,D,E,F und G im Raum berechnet werden. Φl from the calculated turning angles, φ2 and φ3 as well as the distance g B, the coordinates of the points A, B, C, D, E, F and G on the equations (9) to (14) are calculated in the room. Es kann hierfür ein Referenzpunkt festgelegt werden, welcher folgende Koordinaten ha . It can be set for this purpose a reference point, which following coordinates ha.

Figure imgf000020_0002

Die Koordinaten des Punktes A bezogen auf den Referenzpunkt R ergeben sich folgendermaßen. The coordinates of the point A relative to the reference point R arise as follows.

Figure imgf000020_0003

Die Koordinaten der Punkte B,C,D,E,F und G werden analog berechnet . The coordinates of the points B, C, D, E, F and G are calculated analogously. 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. From the determined positions such as a sweeping golf club and the known position of a to be taken golf ball can then be for example, only the swing path of the club, the exact meeting point of the golf ball (hook, slice, draw, etc.) and the Treffgeschwindig- resistance and finally the calculate the trajectory of the golf ball. 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. This may for example be displayed in large format on a screen in front of the golfer with the golf court, 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. The applicant reserves the right to pursue the subject of specific evaluation methods listed above for the position and orientation determination separate from the distinction between the individual signals from the signal generators. 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. This provides a process relates to a device for determining the position, orientation and / or deformation of an object, wherein from a plurality of input coupled to the object signal generators or electromagnetic signals are transmitted, these signals are projected onto one or more two-dimensional resolution position detectors and there in two-dimensional Location coordinates are converted, and easy Figure laws from the position coordinates of the position, orientation of and / or deformation of the moving object is determined.

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Classifications
International ClassificationG01C11/00, G01S5/18, A63B69/36, G01S5/16, A63B43/00, G01S5/02
Cooperative ClassificationA63B43/00, G01S5/0247, G01S5/163, A63B2225/50, G01C11/00, G01S5/186, A63B24/0021, A63B69/3658, A63B2024/0034
European ClassificationG01S5/16B, A63B69/36E, G01C11/00, A63B24/00E
Legal Events
DateCodeEventDescription
18 Jul 2002AKDesignated states
Kind code of ref document: A3
Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DK DM DZ EC EE ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NO NZ OM PH PL PT RO RU SD SE SG SI SK SL TJ TM TR TT TZ UA UG US UZ VN YU ZA ZW
18 Jul 2002ALDesignated countries for regional patents
Kind code of ref document: A3
Designated state(s): GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ TZ UG ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG
30 Oct 2002121Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
17 Dec 2003122Ep: pct application non-entry in european phase
14 Sep 2005NENPNon-entry into the national phase in:
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