專利名稱：手持式勘測裝置和用于該勘測裝置的勘測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的手持式勘測裝置，以及一種用于該勘測裝置的根據(jù)權(quán)利要求10的前序部分所述的勘測方法。
背景技術(shù)：
在許多應(yīng)用中，使用用于距離測量的方法和系統(tǒng)。它們的示例有在測地應(yīng)用中的特別精確的勘測，以及在建筑安裝或者軍用的領(lǐng)域中的測量任務(wù)。對于這些任務(wù)，使用對所選場點(diǎn)進(jìn)行光學(xué)測距的手持式勘測裝置。這里，一般發(fā)射激光束并在通過目標(biāo)偏轉(zhuǎn)之后再次接收和評估該激光束。可利用各種測量原理，例如相位測量或過渡時間測量來確定距離。
在EP 0 738 899B1中描述了適用于該應(yīng)用的典型的勘測裝置在許多應(yīng)用中，期望進(jìn)行與測量的位置和/或取向自動相關(guān)聯(lián)的距離測量。這可以使處理更加容易，因?yàn)椴恍枰貜?fù)地將測量裝置固定在基準(zhǔn)點(diǎn)。
例如，US 5,337,149公開了一種帶有慣性傳感器的手持式測距器，其將距離測量與實(shí)際位置相關(guān)聯(lián)。
US 5,886,775公開了一種用于對象的掃描處理。這里利用電磁實(shí)現(xiàn)手持式掃描器的位置確定。
雖然這種距離測量系統(tǒng)允許將距離測量和諸如位置和取向的空間變量的確定相關(guān)聯(lián)，但在測量時，例如在掃描大范圍對象時所需的較大數(shù)量的測量記錄仍然是一個問題。
例如如果要在不能接觸的情況下測量桌子的兩個邊緣之間的距離，就是這樣的情況。此外，即使對于合適的測量點(diǎn)，也不總是可以接近來測量。從而，不能通過現(xiàn)有技術(shù)的勘測裝置例如測量沿著高天花板延伸的管道的厚度。然而，如果這些對象關(guān)于它們的測量條件確定并且具有作為測量的起始點(diǎn)的空間序列的內(nèi)聚性(cohesion)，那么這些對象和它們的特性可通過數(shù)量相對較大的測量來勘測。
至今為止裝置的缺點(diǎn)是內(nèi)聚性較差，或者缺少不同測量的空間關(guān)系，特別是測量開始位置的分布均勻性。因此，記錄時的多個距離測量不會彼此自動相關(guān)。然而，這種相關(guān)例如適用于檢查諸如兩個壁的兩個結(jié)構(gòu)的平行度。這種關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)問題在于在各個情況下必須單獨(dú)取向和初始化的測量的重復(fù)性，但是所有測量都應(yīng)該有利地具有空間內(nèi)聚性，即，必須在彼此空間坐標(biāo)靠近或彼此鄰近的情況下進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于，對于手持式勘測裝置或方法，允許多個測量的高度空間內(nèi)聚性，特別是重復(fù)測量的高度空間內(nèi)聚性。
另一目的在于，提供一種適用于該目的的手持式勘測裝置和勘測方法，通過該勘測裝置和勘測方法也可以勘測或檢查大范圍結(jié)構(gòu)或三維結(jié)構(gòu)的特性，或者可識別結(jié)構(gòu)。
這些目的通過權(quán)利要求1和10或者從屬權(quán)利要求的主題而實(shí)現(xiàn)，或者成果得到進(jìn)一步改進(jìn)。
本發(fā)明的基礎(chǔ)在于，距離測量被自動記錄并與測距器的位置和軸線取向的對應(yīng)(coordinate)參數(shù)關(guān)聯(lián)在一起。因而包括距離和對應(yīng)參數(shù)的被記錄的數(shù)據(jù)記錄可直接進(jìn)行進(jìn)一步處理或臨時存儲。按照自動測量序列進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄的記錄。通過初始化測量，通過該裝置生成與取向和位置確定相關(guān)的距離測量序列。
重復(fù)率選擇為使得出現(xiàn)測量的密度序列，其頻率和空間關(guān)系也允許通過掃描進(jìn)行表面確定。這里通過測量裝置的手動運(yùn)動進(jìn)行掃描，該運(yùn)動可包括任意和無意的成分。具體地說，如果以合適的適應(yīng)性對測量進(jìn)行初始化，那么利用人手的生理顫動允許進(jìn)行細(xì)微掃描。根據(jù)距離，顫動可用作手的唯一運(yùn)動，從而掃描相對較小的目標(biāo)，使得在不進(jìn)行任意運(yùn)動的情況下進(jìn)行掃描確定。
通過自動并任選優(yōu)化的記錄，迅速而精確地記錄用于重復(fù)距離測量的數(shù)據(jù)組，并且隨后可通過更加復(fù)雜的方法對其進(jìn)行評估，例如統(tǒng)計學(xué)方法或圖形檢測方法。
自動生成測量的重復(fù)率可適于作為目標(biāo)距離或位置改變或取向改變的函數(shù)。因此，例如測量的“密度”或時間序列可作為目標(biāo)距離和/或手動掃描速度的函數(shù)而變化。然而任選的是，還可以考慮關(guān)于被掃描的目標(biāo)對象的信息。例如如果連續(xù)記錄的距離測量表示距離值的分散度較大，則可采用結(jié)構(gòu)表面并且可增加重復(fù)率用于實(shí)現(xiàn)較高的分辨率。如果之后測量值的變化再次落到閾值以下，則可對應(yīng)地減小重復(fù)率。以類似方式，重復(fù)率可作為測量裝置的角加速度或橫向運(yùn)動的函數(shù)而變化，從而保持對應(yīng)的均勻或密集的覆蓋。
可利用通常用于手持式勘測裝置中的激光測距器進(jìn)行距離測量。然而原理上，根據(jù)本發(fā)明還可以使用其它系統(tǒng)，只要它們允許勘測裝置對勘測點(diǎn)進(jìn)行識別和空間分配即可，例如三角測量儀。
對于各個距離測量，記錄為此而使用的光路的取向和勘測裝置的位置?？赏ㄟ^各種方法進(jìn)行取向和位置的確定。具體地說，根據(jù)本發(fā)明，可確定取向和位置的改變，從而只測量相對參數(shù)。在要求絕對確定時，必須返回參考整個測量方法的起始點(diǎn)。然而，在許多應(yīng)用中，不要求獲得參數(shù)的絕對位置。因此，在上述兩個邊緣之間的距離測量的情況下，只確定邊緣和它們相對于勘測裝置的距離以及位置就足夠了。從彼此空間相關(guān)的測量組可計算邊緣的間距。在該情況下因?yàn)橛墒褂谜哌M(jìn)行距對象距離的分配，所以不需要對已知絕對位置的自動參考。因此，如果測量對于它們彼此的位置和取向來說是已知的，那么在大多數(shù)場合就足夠了。
根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)然還可以對于各個測量或幾個測量確定空間的絕對位置或取向，從而測量不僅彼此相關(guān)聯(lián)而且在空間中準(zhǔn)確固定。這樣允許在進(jìn)一步的測量序列中使用該序列，而與第一系列或傳輸?shù)狡渌到y(tǒng)無關(guān)。
根據(jù)本發(fā)明的方法提供了大量的相關(guān)測量，從而可使用甚至更加復(fù)雜的評估方法。例如，可以通過已知方法識別在個體測量的點(diǎn)云中識別對象，并且確定所述對象的尺寸或取向。這些方法例如在WO 97/40342中公開。然而至今為止，這些點(diǎn)云通過固定的掃描器系統(tǒng)記錄。對于這些系統(tǒng)，必需的是選擇固定的架立點(diǎn)，該架立點(diǎn)用作通過馬達(dá)進(jìn)行掃描處理的基礎(chǔ)。復(fù)雜性尺寸和能耗如同固定架立的需求那樣禁止了這種用于手持式操作的硬件。
根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明使用手的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)掃描測量處理。這里，在任何情況下都存在的作為手的無意運(yùn)動的顫動和有意識運(yùn)動都用于實(shí)現(xiàn)手動掃描處理。
根據(jù)應(yīng)用，可產(chǎn)生不同頻率的顫動。正常的生理顫動的頻率根據(jù)情況在4至大約12Hz的范圍內(nèi)，例如在靜止顫動、運(yùn)動顫動、持握顫動或等長收縮顫動的情況下，年輕人的生理顫動在8-12Hz的范圍內(nèi)。對應(yīng)于顫動頻率或超過顫動頻率的距離測量及其關(guān)聯(lián)的位置和取向測量的重復(fù)率已經(jīng)利用了手的無意運(yùn)動用以掃描確定。
除了手的掃描運(yùn)動之外，可以在技術(shù)上產(chǎn)生用于距離測量的光束的掃描運(yùn)動。這例如可以以扇狀或漏斗狀方式實(shí)現(xiàn)，并且可例如通過在光路中的壓電運(yùn)動元件產(chǎn)生。除了手動產(chǎn)生的掃描運(yùn)動之外，還存在通過裝置或具有多個測量波瓣(lobe)的裝置產(chǎn)生的疊加的掃描發(fā)射，這允許在目標(biāo)對象上產(chǎn)生平行或之字形軌跡的測量點(diǎn)，從而改進(jìn)了掃描。
掃描運(yùn)動使勘測裝置的發(fā)射方向和位置發(fā)生連續(xù)改變。對于各個距離測量，通過確定作為基準(zhǔn)變量的改變或者作用力或加速度的相對變量的內(nèi)部系統(tǒng)可以確定待確定參數(shù)。這例如利用慣性傳感器是可行的。這些傳感器測量旋轉(zhuǎn)加速度和平移加速度。由于例如通過微系統(tǒng)工程的已知方法，例如通過微結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)而在基材上具有可積分性的原因，現(xiàn)在可利用緊湊、堅固和節(jié)能的、允許用于手持式勘測系統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。
慣性傳感器特別具有可用頻率較高的優(yōu)點(diǎn)，從而對于時間以及因此對于空間可以實(shí)現(xiàn)良好的分辨率。此外，可在與可識別點(diǎn)不存在視覺連接的情況下使用勘測裝置，并且該裝置可具有閉合、封裝的設(shè)計。
然而，可替代的或可添加的是，也可以確定相對于外部變量(例如可識別點(diǎn)或結(jié)構(gòu))的取向。如果通過勘測裝置確定的這些基準(zhǔn)點(diǎn)的位置已知，那么可以推導(dǎo)出該裝置的實(shí)際絕對位置。為了允許實(shí)際位置在所有情況下以所需精度作為勘測裝置的當(dāng)前位置，已知這樣的方法，所述方法基于對裝置本身相對于作為位置已知的基準(zhǔn)對象或基準(zhǔn)點(diǎn)的對象的位置確定。該方法的一個示例是截點(diǎn)法(resection)的經(jīng)典方法。如果旨在根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)的資料適于為此導(dǎo)出勘測裝置或者定位裝置的絕對位置，則基準(zhǔn)點(diǎn)必須預(yù)先建立并且以足夠的精度勘測。
然而，即使沒有這些基準(zhǔn)點(diǎn)的絕對位置的資料，也總是可以考慮相對位置，即，參考這些點(diǎn)的改變，從而可以進(jìn)行測量軸線的相對定位或取向，這允許將不同的距離測量進(jìn)行關(guān)聯(lián)。
例如稱為本地定位系統(tǒng)的適用于該目的的系統(tǒng)是已知的，并且使用微波或光學(xué)輻射用于相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的測量。這種包括外部基準(zhǔn)點(diǎn)的光學(xué)確定的系統(tǒng)例如在提交日尚未公布的歐洲專利申請No.03021134中進(jìn)行描述。
外部基準(zhǔn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)具體在于它們能夠確定絕對位置的能力。
根據(jù)本發(fā)明，慣性傳感器還可以與勘測裝置中的外部基準(zhǔn)系統(tǒng)組合，即使該系統(tǒng)不具有所需的相應(yīng)空間或時間的分辨率。因此，例如測量旋轉(zhuǎn)速度和線性加速度的慣性傳感器常常具有導(dǎo)致測得的實(shí)際位置與真實(shí)位置有所偏離的偏差。因而根據(jù)本發(fā)明的勘測裝置提供了合適的校正函數(shù)，其通過實(shí)際位置的外部確定來以一定的時間間隔校正偏離。另一方面，外部定位系統(tǒng)的低頻率步長之間的周期可以通過慣性傳感器的位置確定來支撐?；鶞?zhǔn)點(diǎn)確定的間歇損失也可以通過進(jìn)一步的定位系統(tǒng)彌合(bridge)，從而可以減少基準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)量，并且/或者可暫時地延展測量可達(dá)到的范圍。因此這種混合系統(tǒng)還可以補(bǔ)償與基準(zhǔn)點(diǎn)的視覺連接的暫時損失，從而使用區(qū)域通常放大并且勘測裝置關(guān)于其用途而被更加堅固地設(shè)計。
根據(jù)本發(fā)明，可以以這種方式經(jīng)由位置和取向信息彼此關(guān)聯(lián)或相關(guān)的測量可以通過多重方法來評估，例如通過圖像處理，圖形識別或信號處理和統(tǒng)計方法評估。
以下更加詳細(xì)地說明典型通常用于建筑部門或建筑物的勘測中的兩個示例。
A.對通過邊緣約束的隆起結(jié)構(gòu)，例如桌頂?shù)目睖y在第一步驟中，進(jìn)行多重距離的自動測量，該勘測裝置大致在包括桌頂在內(nèi)的立體角上運(yùn)動。測量序列自動生成，可以手動或自動對序列初始化。例如基于運(yùn)動的橫向速度或旋轉(zhuǎn)速度規(guī)定或自動適應(yīng)頻率或重復(fù)率。
現(xiàn)在在第二步驟中根據(jù)測量組確定邊緣。這些可例如基于測量距離的跳躍自動或手動識別。手動識別例如可通過對邊緣直接進(jìn)行多次測量來進(jìn)行，這些測量另外識別為邊緣測量。然后通過這些測量，例如通過計算平均值來確定三維邊緣位置。
在第三步驟中，距離從三維邊緣位置確定并輸出為桌頂?shù)膶挾取?br> 在這些步驟中，可以在各個情況下使用不同的已知統(tǒng)計方法，從而以預(yù)定精度從多重測量獲得距離。
還可通過考慮結(jié)果待實(shí)現(xiàn)的精度的預(yù)先估計來控制測量的記錄。因此，在不利條件的情況下，可以指示使用者測量的次數(shù)還不足并且測量處理必須擴(kuò)大?？蛇x或者可附加的是，還可以進(jìn)行對重復(fù)率或測量頻率的自動適應(yīng)。
這里以示例方式描述的在勘測桌頂中識別并關(guān)于其三維位置確定的邊緣可在進(jìn)一步的步驟中使用，從而識別或限定完整的對象。如果接連勘測多個邊緣作為結(jié)構(gòu)元件，則結(jié)構(gòu)元件的位置和取向也已知，或者可從與測量關(guān)聯(lián)的位置和方向信息導(dǎo)出，從而可構(gòu)造或認(rèn)識相關(guān)的對象。例如，上述圖像處理方法或激光掃描器技術(shù)可用于該目的。
B.勘測表面，例如內(nèi)壁的平面度為了勘測該表面，類似地進(jìn)行上述示例的第一步驟。
然后在第二步驟中可從測量總體直接統(tǒng)計或分級地導(dǎo)出壁的平面度。例如對于直接統(tǒng)計確定，可以使用最小二乘法，該最小二乘法通過測得值的云放置一平面，并使測得值距該平面的偏差最小化?？蓮钠骄钔瞥銎矫娴钠矫娑取亩撈矫嫦薅樵诓襟E之間延伸。
例如在多級方法中，首先可以確定抽象平面的路徑，這例如可以使得所有測得值在空間上位于平面的面向測距器的一側(cè)上而實(shí)現(xiàn)。
然后導(dǎo)出測得值與平面的理想虛擬路徑的偏差，從而確定平面的平面度。
在多數(shù)應(yīng)用中，如果在評估之前規(guī)定或自動確定關(guān)于待分析的拓?fù)涞念A(yù)先信息，就可能是有利的。例如可通過從菜單手動選擇來進(jìn)行規(guī)定，從而已經(jīng)限定了分析算法或數(shù)學(xué)算法中的程序，該菜單對于以上示例具有指針“確定寬度”或“平面的平面度”。
另選的或可附加的是，還可以進(jìn)行預(yù)先信息的自動提供。從而，勘測裝置可包括用于支持為距離測量分配對象的圖像記錄構(gòu)件，例如呈照相機(jī)的形式。關(guān)于測量，記錄空間的勘測區(qū)段的圖像，然后從該圖像自動導(dǎo)出待勘測對象的拓?fù)?。為此在現(xiàn)有技術(shù)中可利用用于圖形檢測的有效算法或裝置。這里還可以從圖像信息和測得結(jié)果交互確定對象。因此，例如測得距離中的跳躍可以用于識別記錄圖像中的邊緣。
基于在密度序列中的測量的自動關(guān)聯(lián)，根據(jù)本發(fā)明的勘測裝置或勘測方法可特別用于確定、驗(yàn)證和/或測量平面之間的角度、邊緣或三維對象的界面之間的距離、三維對象的特性、表面的平行度或表面的平面度。


下面參照附圖中示意性示出的工作示例，僅以示例的方式更加詳細(xì)地描述或說明根據(jù)本發(fā)明的勘測裝置和根據(jù)本發(fā)明的勘測方法。具體地說，圖1a至1b表示根據(jù)本發(fā)明的勘測裝置的包括慣性傳感器和外部基準(zhǔn)的兩個可能實(shí)施例的外觀圖；圖2a至2b表示根據(jù)本發(fā)明的勘測裝置的包括慣性傳感器和外部基準(zhǔn)的兩個可能實(shí)施例的設(shè)計圖；圖3表示根據(jù)本發(fā)明的勘測方法的說明圖；圖4表示通過根據(jù)本發(fā)明的勘測方法進(jìn)行勘測的第一示例；
圖5表示對于勘測的第一示例，待測量的變量的變化的說明圖。
具體實(shí)施例方式
圖1a至1b表示根據(jù)本發(fā)明的勘測裝置的包括慣性傳感器和外部基準(zhǔn)的兩個可能實(shí)施例的外觀圖。圖1a中的勘測裝置的第一實(shí)施例1a使用一個或多個慣性傳感器作為位置檢測構(gòu)件并且具有殼體2a，該殼體2a在其表面上承載有作為控制器的輸入控制鍵3a和顯示區(qū)4a。通過這些控制器，可以控制勘測裝置的功能性，具體地說，可以選擇標(biāo)準(zhǔn)對象。為了測量距離，勘測裝置具有發(fā)射測量輻射MS的輻射源。
圖1b表示根據(jù)本發(fā)明的勘測裝置的第二實(shí)施例1b，包括通過相對于外部參考可識別點(diǎn)進(jìn)行位置確定。為此，用于識別和勘測可識別基準(zhǔn)點(diǎn)的輻射通過蓋5發(fā)射，蓋5可透過輻射并且安裝在勘測裝置的殼體2b上。從而，使用相對于外部點(diǎn)以自身作為基準(zhǔn)的光學(xué)系統(tǒng)作為位置檢測構(gòu)件。在殼體的表面上布置輸入控制鍵3b和顯示區(qū)4b作為控制器。為了測量距離，發(fā)射測量輻射MS。
然而，根據(jù)本發(fā)明，還可以使用另一適當(dāng)?shù)臏y距器，例如三角測量儀來取代利用輻射發(fā)射測量距離而用于所有的實(shí)施例。
圖2a至圖2b示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的勘測裝置的根據(jù)圖1a至1b包括慣性傳感器和外部基準(zhǔn)的兩個可能的實(shí)施例的內(nèi)部設(shè)計。
在圖2a中說明了第一實(shí)施例1a的設(shè)計。殼體2a在頂部上承載輸入控制鍵3a和顯示區(qū)4a。在殼體2a內(nèi)設(shè)置作為位置檢測構(gòu)件的慣性傳感器6和用于控制(特別是距離測量的自動初始化)并用于從測得的距離導(dǎo)出待測量變量(特別是距離)的計算單元7。為了測量距離，在該第一實(shí)施例1a中，測量輻射MS由輻射源8產(chǎn)生并由勘測裝置發(fā)射。測量輻射的發(fā)射方向可受到光路中的光學(xué)單元9的影響。例如，可以通過壓電元件調(diào)整鏡子，使經(jīng)過鏡子的測量輻射被發(fā)射而且也可以可選地接收在作為掃描扇形的角度范圍內(nèi)。在由目標(biāo)反射后，該輻射被此處未示出的接收器再次接收，并且在計算單元7中評估獲得的信號。通過計算單元7，將各個距離測量與由測距器的取向和慣性傳感器6提供的勘測裝置的位置相關(guān)聯(lián)。
通過掃描運(yùn)動指定的發(fā)射方向可以直接或間接測量，因此可注冊為測距器的取向。直接測量例如代表光學(xué)元件9在相應(yīng)的發(fā)射情況下的精確位置通過電路的注冊，而間接確定可以通過確定發(fā)射時間而實(shí)現(xiàn)。根據(jù)該時間和對于完整掃描循環(huán)周期的資料，可以通過計算導(dǎo)出光學(xué)元件9在發(fā)射時間的位置。
距離測量方向的變化不限于發(fā)射輻射。除發(fā)射方向之外，根據(jù)本發(fā)明還可以例如改變傳感器(例如三角測量儀)的接收方向，從而甚至可僅僅使用無源系統(tǒng)用于距離測量。
圖2b表示根據(jù)本發(fā)明的勘測裝置的第二實(shí)施例1b，包括殼體2b、輸入控制鍵3b、顯示區(qū)4b和設(shè)置在殼體中的構(gòu)件。以與第一實(shí)施例類似的方式，測量輻射MS由輻射源8產(chǎn)生并由勘測裝置發(fā)射，被再次接收并最終評估。而且在第二實(shí)施例1b中，也可以在光路中設(shè)置光學(xué)元件。
為了確定勘測裝置的位置和測距器的取向，在第二實(shí)施例中僅以示例的方式使用外部基準(zhǔn)。激光輻射L通過定位輻射源8’發(fā)射并經(jīng)由作為控制元件的光導(dǎo)元件10的偏轉(zhuǎn)元件和一對可旋轉(zhuǎn)的棱鏡供給，并穿過可透過輻射的蓋5發(fā)射。通過所述一對可旋轉(zhuǎn)的棱鏡，激光輻射L照射到鏡子的角度周期性變化，從而通過穿過蓋5發(fā)射的激光束L產(chǎn)生瓣狀掃描運(yùn)動。通過目標(biāo)(特別是基準(zhǔn)點(diǎn))反射回的激光輻射經(jīng)由相同的光路返回定位輻射源8’，這里在定位輻射源8’中在結(jié)構(gòu)上結(jié)合有用于距離測量的接收器。
從位于檢測范圍EB內(nèi)的基準(zhǔn)點(diǎn)反射回的輻射還通過呈內(nèi)窺鏡11形式的光學(xué)系統(tǒng)供給至作為圖像記錄構(gòu)件的照相機(jī)。通過該照相機(jī)，允許與距離測量并行地通過圖像處理方法確定和識別基準(zhǔn)點(diǎn)。這里，具體可通過對位于兩個基準(zhǔn)點(diǎn)之間的像點(diǎn)進(jìn)行計數(shù)來進(jìn)行角度測量。
為了控制和數(shù)據(jù)處理，第二實(shí)施例1b具有計算單元7’。除了用于通過測量輻射進(jìn)行距離測量的功能之外，計算單元7’還具有用于自動檢測可檢測基準(zhǔn)點(diǎn)以及用于導(dǎo)出基準(zhǔn)點(diǎn)的位置信息和用于從基準(zhǔn)點(diǎn)的位置信息導(dǎo)出勘測裝置的位置和測距器的取向的位置分量的功能性。計算單元7’在每次測量距離時都將每次距離測量與勘測裝置的實(shí)際位置相關(guān)聯(lián)，并且與測距器的取向相關(guān)聯(lián)。
根據(jù)本發(fā)明，勘測裝置還可具有慣性傳感器和用于外部基準(zhǔn)的構(gòu)件，從而可組合第一和第二實(shí)施例的特性。
由于手持式勘測裝置以及其構(gòu)件的尺寸和待勘測的點(diǎn)的較小截面，關(guān)鍵是需要高精度和穩(wěn)定的定位。有利的是，輻射源、光導(dǎo)件、慣性傳感器和控制評估構(gòu)件的所有構(gòu)件都可安裝在公共基板上或在公共基材上實(shí)現(xiàn)。在DE 195 33 426A1和EP 1 127 287B1中描述了特別適于安裝需要和所需位置精度的作為構(gòu)件的光學(xué)結(jié)構(gòu)元件或組件以及總系統(tǒng)。WO99/26754和歐洲專利申請EP 1 424 156描述了用于將小型化組件焊接在基板上的適當(dāng)方法。在歐洲專利申請EP 1 424 884中描述了用于將小型化組件固定在支撐板上，特別是用于精確調(diào)整光學(xué)構(gòu)件的適當(dāng)方法。
圖3說明了根據(jù)本發(fā)明用于使用第一實(shí)施例1a的示例的勘測方法。在第一裝置位置GP1處，通過向場點(diǎn)AP1發(fā)射測量輻射來進(jìn)行距離測量。在該位置，測得的距離與測距器的位置和取向一起通過勘測裝置相關(guān)聯(lián)地記錄并任選地存儲。通過人手的任意和/或無意的運(yùn)動，在空間中將勘測裝置運(yùn)動到裝置位置GPn。與發(fā)射的測量輻射對應(yīng)的距離測量的序列形成場點(diǎn)APn的軌跡SP。對于每次距離測量和與其對應(yīng)的場點(diǎn)Apn，記錄勘測裝置的距離、裝置位置GPn和測距器的取向，從而使所有距離測量相關(guān)聯(lián)并在三維空間中彼此相關(guān)。裝置位置GPn和測距器的取向可以在三維空間中絕對地確定，或者作為相對位置而被確定，或者相對于初始裝置位置GP1或相應(yīng)的先前位置或測距器的相應(yīng)取向而改變。在該示例性情況下，實(shí)際裝置位置GPn作為相對于初始裝置位置GP1的改變而通過勘測裝置的第一實(shí)施例1a的慣性傳感器確定，這同樣應(yīng)用于測距器的取向。
圖4表示通過根據(jù)本發(fā)明的勘測方法進(jìn)行勘測的第一示例。在房間中存在待勘測的桌子12。對于傳統(tǒng)的手持式勘測裝置，桌子頂部的邊緣既不適于用作支撐件也不適于用作將測量輻射反射回去的目標(biāo)。只能利用諸如作為支撐表面的平直邊緣的輔助來測量桌子的寬度。為了測量桌子的寬度，通過根據(jù)本發(fā)明的方法手動移動根據(jù)本發(fā)明的勘測裝置，使其用于距離測量的場點(diǎn)的軌跡SP盡可能多地在桌子寬度上經(jīng)過幾次。
圖5中以說明的方式示出了這樣獲得的數(shù)據(jù)記錄(包括距離、位置和取向)的評估，作為對勘測的第一示例的待測量變量的導(dǎo)出。為簡單起見，考慮僅在桌子12的寬度上引導(dǎo)一次的軌跡SP，也可以使用對于經(jīng)過任何次數(shù)的分析。圖5的上部中示出的距離測量EM與軌跡SP對應(yīng)。與在三維空間中進(jìn)行距離測量的角度α對應(yīng)的距離測量與圖的各個點(diǎn)對應(yīng)。這里，為簡單起見，考慮沿著與桌子表面平行的直線的測量，從而可基于角度α構(gòu)造距離測量EM。距離測量的序列現(xiàn)在在確定的距離中存在跳躍，這些跳躍與桌子邊緣相關(guān)。當(dāng)測量到達(dá)桌子頂部時，測得的距離小于在從較低的房間地板進(jìn)行測量的情況。根據(jù)距離測量EM的序列的距離跳躍，現(xiàn)在可以導(dǎo)出角度范圍，對于該角度范圍，基于已知的距離，可以使空間距離和桌頂?shù)膶挾萕對應(yīng)而作為待導(dǎo)出的變量?？衫靡阎陀行У姆椒▉碜R別測量值序列中的這種跳躍或脈沖波前(flank)。
從圖中可以清楚看出，在個體測量與待導(dǎo)出變量的精度之間存在關(guān)系。距離測量序列中距離測量的間隔確定了測量的可能精度。從而根據(jù)本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)個體測量序列例如對于時間或空間間距的最優(yōu)化，這可以以上游算法的形式手動或自動進(jìn)行。例如，為了實(shí)現(xiàn)充分的空間密度分布，測量的實(shí)際頻率可適于人手的運(yùn)動速度。為此，慣性傳感器或外部基準(zhǔn)系統(tǒng)賦予所需的運(yùn)動信息。
圖6表示利用根據(jù)本發(fā)明的勘測方法進(jìn)行勘測的第二示例。相比于圖4和圖5的第一示例，這里關(guān)于多維性來勘測對象。在第二示例中，打算檢查兩個壁的平面度或平坦性以驗(yàn)收房間內(nèi)的建筑工程。為此，利用距離測量的軌跡SP1或SP2掃描各個壁?，F(xiàn)在可以以這樣的方式實(shí)現(xiàn)各個軌跡中測得值的序列的分析，即，不是勘測待識別的可能結(jié)構(gòu)，而是統(tǒng)計上考慮所有測得值的全體。使用測得值的序列導(dǎo)出基準(zhǔn)平面，相對于該基準(zhǔn)平面確定變化。一種可行的方法是最小二乘法。然而，可選或可附加地，例如也可以規(guī)定表面的取向?yàn)橐阎?。在該示例中，單?dú)考慮兩個壁并且孤立地評估對應(yīng)的軌跡。
圖7說明利用根據(jù)本發(fā)明的勘測方法進(jìn)行勘測的第三示例，其中待確定或檢查在房間的兩個壁與地板之間的角度。為此，軌跡SP被引導(dǎo)經(jīng)過所有待分析表面?，F(xiàn)在距離測量的序列覆蓋所有表面。
為了確定角度，現(xiàn)在可識別表面，即，一個表面與各個測得值對應(yīng)。為此，在第一步驟中，可以規(guī)定關(guān)于表面的數(shù)量和/或取向的信息，或者能夠通過例如基于選擇規(guī)則將測量點(diǎn)依次指定至分別代表其中一個表面的組而從測得值導(dǎo)出表面。
或者，統(tǒng)計方法也可以允許同時使用所有的測量點(diǎn)用以導(dǎo)出角度。
在記錄軌跡SP之前，還可以進(jìn)行用于識別表面的預(yù)先測量，其中例如分別在兩個平面的結(jié)合表面上進(jìn)行直線運(yùn)動。根據(jù)相應(yīng)的軌跡必須代表兩個表面的信息，可通過將軌跡分成兩組而實(shí)現(xiàn)相當(dāng)迅速的配比。因?yàn)橹贿M(jìn)行一次運(yùn)動，所以所有的測量點(diǎn)都已經(jīng)分組，使得只有組中正確的分離點(diǎn)，即配比點(diǎn)必須確定。例如，最小二乘法可再次用于子組，通過該方法跟蹤兩個表面。
然而，因?yàn)檫€可以通過位置檢測構(gòu)件來空間關(guān)聯(lián)多個軌跡，所以還可實(shí)現(xiàn)表面(如圖6所示)及其后續(xù)關(guān)系的完全分離確定，以確定角度。
對于通過利用扇狀掃描效果的根據(jù)本發(fā)明的勘測方法以及根據(jù)本發(fā)明的勘測裝置進(jìn)行勘測的第四示例，圖8中示出了在目標(biāo)對象上的距離測量點(diǎn)的多個軌跡的平行生成。該示例中所用的測量裝置與圖2a所示的第一實(shí)施例對應(yīng)，在光路中具有光學(xué)元件，用于發(fā)射方向的扇狀變化。通過該光學(xué)元件，不再只是測距器的一個點(diǎn)，而是測距器的一個軸線與輻射源的軸線的各個取向?qū)?yīng)。現(xiàn)在，產(chǎn)生發(fā)射方向的周期性變化，使得對場點(diǎn)的條帶13的勘測來代替僅對單個場點(diǎn)的勘測。在已經(jīng)說明的方法示例中，該條帶現(xiàn)在穿過待確定或勘測的房間區(qū)段。從而，通過從左到右的單一手動運(yùn)動，產(chǎn)生了多個軌跡SPn代替僅單個軌跡SP1作為場點(diǎn)序列，從而產(chǎn)生場點(diǎn)的二維場。除了節(jié)省時間或手工勞動之外，該場還尤其允許更加均勻的掃描，因?yàn)樵跅l帶內(nèi)存在點(diǎn)的均勻分布。如果條帶13中的掃描速度應(yīng)用成使得用于掃描條帶的周期與手動運(yùn)動的時間比例相比較小，就可以覆蓋相當(dāng)密集和均勻的掃描區(qū)段。
權(quán)利要求
1.一種手持式勘測裝置(1a，1b)，該手持式勘測裝置至少包括●測距器，該測距器優(yōu)選為激光測距器(8)，該激光測距器(8)具有發(fā)射方向，以及用于導(dǎo)出和提供測量距離的評估構(gòu)件(7，7’)；●位置檢測構(gòu)件，該位置檢測構(gòu)件對于各個距離測量形成用于關(guān)聯(lián)記錄所述勘測裝置(1a，1b)的相應(yīng)位置和所述測距器的相應(yīng)取向、特別是所述測距器的發(fā)射方向，該位置檢測構(gòu)件特別是共用存儲器，所述手持式勘測裝置的特征在于，所述測距器和所述位置檢測構(gòu)件形成并布置成可以以重復(fù)率，特別是可變重復(fù)率初始化距離測量的自動序列，對于序列的各個距離測量存儲相應(yīng)的位置和取向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的勘測裝置(1a，1b)，其特征在于，所述檢測構(gòu)件形成為用于記錄由手的無意運(yùn)動引起的位置的改變和/或發(fā)射方向的改變，并且所述重復(fù)率大于手的靜止顫動或持握顫動的典型頻率，具體大于4Hz，優(yōu)選大于12Hz。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的勘測裝置(1b)，其特征在于，所述重復(fù)率作為目標(biāo)距離、位置改變和/或取向改變的函數(shù)而自動變化。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的勘測裝置(1b)，其特征在于，所述位置檢測構(gòu)件形成為●用于記錄位置改變和/或發(fā)射方向的改變，●用于記錄絕對位置和/或絕對發(fā)射方向，并且/或者●作為用于檢測線性加速度和/或旋轉(zhuǎn)加速度的慣性傳感器。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的勘測裝置(1b)，其特征在于，所述位置檢測構(gòu)件形成為使得可通過參照基準(zhǔn)點(diǎn)、特別是參照位置已知的基準(zhǔn)點(diǎn)來導(dǎo)出位置和/或發(fā)射方向。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的勘測裝置(1a，1b)，其特征在于，所述位置檢測構(gòu)件具有至少兩個不同時間和/或空間分辨率的檢測級別。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的勘測裝置(1a，1b)，其特征在于，所述發(fā)射方向可相對于所述勘測裝置變化，特別是通過掃描元件(9)變化，相對于所述勘測裝置(1a，1b)的實(shí)際發(fā)射方向可以包含在絕對和/或相對發(fā)射方向的記錄中。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的勘測裝置(1a，1b)，其特征在于，所述測距器形成為利用自動掃描運(yùn)動，特別是以扇狀形式產(chǎn)生發(fā)射。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的勘測裝置(1a，1b)，其特征在于用于利用距離測量支撐對象的識別和/或?qū)?yīng)的圖像記錄構(gòu)件。
10.一種用于根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的手持式勘測裝置(1a，1b)的勘測方法，該勘測方法包括以下步驟●至少兩個距離的距離測量，各個距離與在測量當(dāng)時的所述勘測裝置(1a，1b)的位置和測距器的取向自動關(guān)聯(lián)地記錄；●待測量變量的偏差，特別是距所述至少兩個測得距離的距離偏差，所述勘測方法的特征在于，以重復(fù)率，特別是可變重復(fù)率實(shí)現(xiàn)距離測量的自動序列，對于所述序列的各個距離測量來存儲相應(yīng)的位置和取向。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的勘測方法，其特征在于，所述重復(fù)率大于手的靜止顫動或持握顫動的典型頻率，具體大于4Hz，優(yōu)選大于12Hz。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的勘測方法，其特征在于，所述重復(fù)率作為目標(biāo)距離、位置改變和/或取向改變的函數(shù)而變化。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12中任一項所述的勘測方法，其特征在于，測得的變量位置和/或取向通過以下確定●注冊這些測得變量的改變；●測量絕對測量變量以及/或者●返回參考至少一個已知位置的點(diǎn)，具體通過截點(diǎn)法。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13中任一項所述的勘測方法，其特征在于，在待測量變量的導(dǎo)出中，將距離確定為距離測量的至少兩個場點(diǎn)之間的寬度(W)。
15.根據(jù)權(quán)利要求10至14中任一項所述的勘測方法，其特征在于，在待測量變量的導(dǎo)出中，根據(jù)多個距離測量確定所述距離測量與和待測量變量對應(yīng)的幾何標(biāo)準(zhǔn)對象相關(guān)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的勘測方法，其特征在于，所述幾何標(biāo)準(zhǔn)對象手動或自動預(yù)定，特別是從預(yù)定的選擇中挑選。
17.根據(jù)權(quán)利要求10至16中任一項所述的勘測方法，其特征在于，利用至少兩個不同時間和/或空間分辨率的級別確定位置和/或取向。
全文摘要
本發(fā)明提供一種手持式勘測裝置和用于該勘測裝置的勘測方法。該手持式勘測裝置(1a)包括至少一個測距器，該測距器實(shí)施為結(jié)合有位置檢測構(gòu)件，使該位置檢測構(gòu)件對于各個測距器測量來記錄測量裝置(1a)的位置(GP1，GPn)和測距器的取向，借此可生成具有相應(yīng)位置(GP1，GPn)和取向的測距器測量的自動受控序列。所有的測距器測量都通過所述相關(guān)記錄來記錄并相關(guān)為呈軌跡(SP)形式的場點(diǎn)(AP1，APn)，從而可以進(jìn)行復(fù)雜的計算，例如測量不可接近的對象或者確定表面的平面度。
文檔編號G01S17/00GK101076742SQ200580042420
公開日2007年11月21日 申請日期2005年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月11日
發(fā)明者克努特·西爾克斯 申請人:萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司