Opto-akustische 3D-Innenraum-Lokalisierung zur Qualitätssicherung in manuellen Montageprozessen

Von:

Dominik Thomas Esslinger-Wöhrle

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Das in dieser Arbeit konzipierte opto-akustische Innenraum-Lokalisierungssystem, basierend auf Infrarot und Ultraschall, ist in der Lage die Position und Orientierung von Werkzeugen oder von Handgelenken der Werkerin bzw. des Werkers zu bestimmen um bereits während des Montageprozesses zur Qualitätssicherung beizutragen. Hierfür werden unilaterale Distanzen zwischen mobilen Sendern, befestigt an Werkzeugen oder dem Handgelenk, und raumfesten Empfängern mittels Laufzeitmessungen (Time-Of-Flight) ermittelt. Durch Multilateration kann, bei Kenntnis der Empfängerpositionen im Raum, eine 3D-Position des Senders berechnet werden. Befinden sich mindestens drei Sender an einem Objekt kann außerdem dessen Orientierung ermittelt werden. Die Modulation von quasi-orthogonalen Gold-Codes auf die übermittelten Trägersignale zur Laufzeitmessung ermöglicht ferner eine Unterscheidung der Sender und somit eine gleichzeitige 3D-Lokalisierung mehrerer Objekte im Codemultiplexverfahren (CDMA). In dieser Arbeit werden zum einen Methoden im Bereich der Signalverarbeitung erforscht, um die unilaterale Distanzmessung als Grundlage der 3D-Lokalisierung mit einer hohen Genauigkeit zu realisieren. Die Leistungsfähigkeit aller Distanzmessmethoden wird in Messexperimenten bestätigt. Zum anderen werden modellbasierte Sensorfusionsmethoden konzipiert, um die Posenschätzung durch Distanzmessungen mit im Sender aufgenommenen Inertialdaten zu fusionieren. Hierbei kommen das Unscented Kalman Filter (UKF) und das Partikelfilter zum Einsatz. Dynamische 3D-Messexperimente an einer Linearachse und an einem Industrieroboter weisen die Leistungsfähigkeit des entwickelten Innenraum-Lokalisierungssystems nach.