Entwicklung eines AR-gestützten Messverfahrens für die Industrievermessung

Augmented Reality (AR) bezeichnet die Fusion einer realen Umgebung mit digitalen, virtuellen Elementen und bietet dem Nutzer so eine raumbezogene Darstellung von Informationen. AR hat im Zuge der Industrie 4.0 längst Einzug in die industrielle Produktion gehalten und ermöglicht eine intuitive Kommunikation zwischen Mensch und Maschine. Neben Smartphones und Tablets werden vor allem Head Mounted Displays (HMDs) zur Darstellung genutzt. Die Nutzung von HMDs ist in der Vermessung noch selten und besonders im Genauigkeitsbereich der Industrievermessung kaum realisiert. Existierende Anwendungen basieren auf speziellen Markern am Messobjekt, welche zuvor eingemessen werden müssen.

Das in dieser Masterarbeit entwickelte Verfahren basiert auf der Nutzung einer HoloLens 2 in Verbindung mit einem Lasertracker der Firma Leica. Lasertracker sind etablierter Standard in der Industrievermessung. Gerade in der Qualitätssicherung großvolumiger Bauteile (Large Volume Metrology) ermöglichen Lasertracker den Spagat zwischen erforderlicher Messdistanz aus der klassischen Vermessung und geforderter Genauigkeit. Während der Messung muss der, meist handgeführte, Reflektor (T-Probe) stets auf den Lasertracker ausgerichtet sein. Gleichzeitig muss sich der Nutzer in der Messumgebung bewegen, Hindernissen und Gefahrenbereichen ausweichen oder den Messablauf auf einem PC zur Steuerung des Trackers kontrollieren. Dies erfordert eine gewisse Routine, weiterhin sind Blickrichtungswechsel zwischen dem Bildschirm und Reflektor ergonomisch ungünstig und unterbrechen den Fokus für die Positionierung des Reflektors. Der Messablauf kann durch die Integration von AR effizienter und sicherer gestaltet werden. Weiterhin kann der Nutzer interaktiv durch den Messablauf geführt und in den erforderlichen Arbeitsschritten audiovisuell unterstützt werden.

Wesentliche Problemstellung der Arbeit ist die Transformation von HoloLens und Lasertracker in ein gemeinsames Koordinatensystem. Der Grundgedanke beruht auf kontinuierlichen Messungen des Lasertrackers, welche sowohl die Position als auch die Rotation der T-Probe beinhalten. Gleichzeitig werden diese sechs Freiheitsgrade der T-Probe auch durch die Kamera der HoloLens bestimmt (Tracking). Über diesen Zusammenhang ist die Position der HoloLens eindeutig im Koordinatensystem des Lasertrackers definiert. Zusätzliche Marker am Messobjekt sind auf diese Weise nicht notwendig, ein vorheriges Einmessen entfällt.

Die Realisierung des Konzepts erfordert einige Voraussetzungen, welche im Rahmen der Arbeit umgesetzt und auf Praxistauglichkeit untersucht werden. Zunächst wird das Vorgehen beschrieben, um zwischen Lastertracker und HoloLens eine stabile Datenübertragung via TCP zu ermöglichen. Im Anschluss werden die notwendigen Sensordaten der HoloLens ausgelesen und geeignete, Trackingverfahren implementiert. Es folgen Untersuchungen zur erreichbaren Genauigkeit der Verfahren und die Entwicklung eines ausgleichenden Algorithmus, welcher auf Basis der vorhandenen Positionsdaten die gesuchte Transformation kontinuierlich optimiert. Der eigentlichen Visualisierung sind nach der erfolgreichen Transformation der HoloLens ins Koordinatensystem des Lasertrackers keine Grenzen gesetzt. Exemplarisch wird ein „Absteckungsassistent“ implementiert und das Messverfahren damit an einem realen Messobjekt erprobt.

Die Ergebnisse sind bereits recht vielversprechend und für gewisse Anwendungen könnte die entwickelte App bereits in der Praxis eingesetzt werden. Die Position der HoloLens wird in der Regel ausreichend genau bestimmt, sodass reales Messobjekt und holographische Projektion übereinstimmen. Dennoch ist einiges Potential für Verbesserungen vorhanden, auf die wichtigsten Probleme und mögliche Lösungsansätze wird in der Arbeit abschließend eingegangen. Aus den erreichten Ergebnissen sind, unabhängig vom Einsatz eines Lasertrackers, auch weitere Anwendungsszenarien in der klassischen Vermessung denkbar. Dieser „Proof of Concept“ zeigt, dass AR so ohne größeren Mehraufwand in bestehende Messabläufe integriert werden kann.