專利名稱：用于對環(huán)境進行光學掃描和測量的裝置的制作方法
用于對環(huán)境進行光學掃描和測量的裝置本發(fā)明涉及ー種具有權利要求1的通用術語的特征的裝置。借助于諸如例如從DE202006005643U1已知的且被設計為激光掃描器的裝置，可以對激光掃描器的環(huán)境進行光學掃描和測量。本發(fā)明基于以下目的:改善引言中所提到的類型的裝置。該目的根據(jù)本發(fā)明借助于包括權利要求1的特征的裝置來實現(xiàn)。從屬權利要求涉及有利的配置。激光掃描器的部件被布置在測量頭的兩個部分中以及布置在連接所述部分的承載結構的橫梁(traverse)中。為了減輕激光掃描器的重量，設置有外殼作為殼體的一部分，優(yōu)選地，對于測量頭的兩個部分的姆ー個都設置有ー個外殼，其中所述外殼可以由輕質材料例如塑性材料制成并且所述外殼覆蓋激光掃描器的相應部件以保護它們。而為了保護外売，設置了軛架，優(yōu)選地，對于每個外殼設置ー個軛架，該軛架部分地覆蓋外殼的外部并且該軛架也可以由輕質材料例如鋁制成。用于承重目的的、優(yōu)選地也由鋁制成的承載結構優(yōu)選地具有用于固定具有光學元件和旋轉鏡的部件的壁。所述壁還可以閉合半敞開的外売。軛架優(yōu)選地沿著外殼的外邊緣和/或斜行地在外殼的外表面上延伸并被固定到承載結構，優(yōu)選地在其端部處固定至承載結構，如果和當有必要時，也可以在兩個壁之ー處固定軛架的中心。除了保護功能之外，另外的功能也可以被集成到軛架中。在操作期間，激光掃描器的參數(shù)特別是溫度可能發(fā)生變化。有必要進行對比測量以用于校正。建議沿著具有已知幾何結構和到激光掃描器中心的已知距離的棱鏡暫時地移動發(fā)射光束的光斑。棱鏡此外具有至少兩個不同的亮度級和/或顏色，以生成接收光束的不同信號等級。不同的亮度級和/或顔色優(yōu)選地沿著發(fā)射光束的光斑的運動方向交替。在鏡旋轉期間，在每次轉動期間，發(fā)射光束被投射到承載結構的橫梁上一次，下面的環(huán)境不能被測量。棱鏡因此優(yōu)選地被配置在橫梁處。垂直于發(fā)射光束的光斑的運動方向(或沿著運動方向)的特定幾何形狀可以考慮接收光學元件的成像特性，并因此控制所得到的信號的質量。借助于棱鏡的不同的亮度級和/或顔色和已知距離，控制和評估單元執(zhí)行距離校正(的校正)。為了組裝激光掃描器，部件具有機械接口和電氣接ロ。尤其在相對于彼此可旋轉的部件之間，需要高精度。激光掃描器因此設置有轉軸模塊，該轉軸模塊作為預組裝組件ー方面設置有靜止在激光掃描器的靜止參考系中的基座以及另一方面設置有可以固定到相對于基座可旋轉的測量頭的承載結構的部件。相對于彼此可旋轉的接ロ則被移置到接ロ模塊的內部。在轉軸模塊與測量頭的另外的部件之間的接ロ可以(更)簡單地配置，使得當將轉軸模塊例如插入承載結構的容置槽時，它們在插入的方向上是閉合的。在激光掃描器中，用于旋轉測量頭和鏡的電動機、以及控制和評估單元和另外的電子元件產(chǎn)生熱，所產(chǎn)生的熱必須被移除。為此目的，激光掃描器設置有基于通風裝置的集成冷卻裝置。因此，空氣通過進氣ロ被引導到承載結構與用作殼體的外殼之間的空間，空氣從該空間通過相對于承載結構的內部是密封的吸入管進入冷卻裝置的內部。從冷卻裝置的內部，風扇吹動加熱的空氣通過相對于承載結構的內部是密封的另外的出口管，并通過出氣ロ到達外部?？梢砸虼藘?yōu)選地在不削弱中央部件的緊密性的情況下移除熱。在每個進氣口和出氣ロ處的一個過濾器避免灰塵和粗塵粒侵入冷卻裝置的空間和管中。例如借助于肋條將進氣口和出氣ロ定向成使得氣流遠離彼此指向，即不交叉地指向盡可能分開的方向。具有例如矩形剖面的吸入管和出口管以密封的方式連接到風扇的殼體。此外，如果需要，可以借助于合適的插塞來完全地密封所述管。優(yōu)選地兩個外殼中的每個外殼是半敞開的并被承載結構的壁封閉，進氣口和出氣ロ優(yōu)選地精確地與相對于彼此以及相對于所述空間是密封的兩個外殼之ー相接。外殼的布置在外部的抵靠承載結構的密封件因此確保激光掃描器的完全密封。除了該通風裝置之外，冷卻裝置優(yōu)選地設置有被動冷卻元件，例如散熱片和/或熱管，以便將(來自承載結構的內部的零部件的)熱傳遞到主動冷卻元件。這可以是來自電子元件的熱，或者，如果承載結構被再分成相對于彼此密封的兩個半體，則這可以是來自承載結構的(不具有主動冷卻元件的)另ー個半體的熱。下面，以附圖中所示出的示例性實施方式為基礎更詳細地闡述本發(fā)明，在附圖中:

圖1示出了激光掃描器的透視圖；圖2示出了激光掃描器的略微透視的側視圖；圖3示出了激光掃描器的仰視圖；圖4示出了激光掃描器的在轉軸模塊的區(qū)域中的截面；圖5示出了不具有外殼的激光掃描器的局部透視圖；圖6示出了具有圖5的透視角度的冷卻裝置的局部圖；以及圖7示出了激光掃描器在操作期間的示意圖。提供了一種激光掃描器10作為用于對激光掃描器10的環(huán)境進行光學掃描和測量的裝置。激光掃描器10具有測量頭12和基座14。測量頭12安裝在基座14上，作為可以關于豎直軸線旋轉的單元。測量頭12具有可以關于水平軸線旋轉的旋轉鏡16。兩個旋轉軸線的交點被指定為激光掃描器10的中心Cltl。測量頭12還設置有用于射出發(fā)射光束18的光發(fā)射器17。發(fā)射光束18優(yōu)選地是在大約300nm到1600nm的波長范圍內例如790nm、905nm或小于400nm的激光束,然而原則上也可以使用具有例如更長波長的其它電磁波。發(fā)射光束18例如采用正弦或矩形波形調制信號進行幅度調制。發(fā)射光束18由光發(fā)射器17發(fā)射到旋轉鏡16上，在旋轉鏡16上發(fā)射光束18被偏轉并發(fā)射到環(huán)境中。在環(huán)境中被物體0反射或否則被散射的接收光束20再次被旋轉鏡16捕獲、偏轉和導向到光接收器21上。發(fā)射光束18和接收光束20的方向由旋轉鏡16和測量頭12的角位置產(chǎn)生，旋轉鏡16和測量頭12的角位置取決于它們相應的旋轉驅動裝置的位置，每個相應的旋轉驅動裝置的位置又由一個編碼器記錄?？刂坪驮u估單元22具有到測量頭12中的光接收器21及光發(fā)射器17的數(shù)據(jù)連接，由此，部分控制和評估單元22 (例如連接到基座14的計算機)也可以布置在測量頭12的外部。控制和評估單元22根據(jù)發(fā)射光束18和接收光束20的傳播時間來針對多個測量點X確定激光掃描器10與物體0 (處的照射點)之間的距離d。為此目的，可以例如確定和評估兩個光束18和20之間的相移。借助于旋轉鏡16的(快速)旋轉，沿著圓周進行掃描。依靠測量頭12相對于基座14的(緩慢)旋轉，借助于圓周來逐步地掃描整個空間。這種測量的測量點X的實體被稱為掃描。對于這樣的掃描，激光掃描器10的中心Cltl限定局部靜止參考系的原點。基座14靜止在該局部浄止參考系中。除了到激光掃描器10的中心Cltl的距離d之外，每個測量點X還包括同樣由控制和評估單元22確定的亮度信息。亮度值是例如由光接收器21的經(jīng)帶通濾波和放大的信號在歸屬于測量點X的測量時段上的積分而確定的灰階(gray-tone)值。彩色相機可以可選地生成圖片，借助于圖片，顔色(R、G、B)可以被分配給測量點作為值。顯示裝置24連接至控制和評估單元22。顯示裝置24被集成在激光掃描器10中，在本情況中顯示裝置24被集成在測量頭12中。顯示裝置24顯示掃描的預覽。激光掃描器10具有用作測量頭12的“骨架”的承載結構30，并且在承載結構30上固定激光掃描器10的不同部件。在本情況中，金屬的承載結構30由鋁制成并被制成為一體。在基座14上方，承載結構30具有從外部可見的橫梁30a，并且在橫梁30a的兩端處承載有兩個壁30b，所述兩個壁30b彼此平行并從橫梁30a向上突出。兩個外殼32被配置成朝向ー側敞開的殼體，該殼體優(yōu)選地由塑料制成。兩個外殼32中的姆ー個均覆蓋激光掃描器10的被固定到承載結構30的部分部件，并且每個外殼32被分配給該外殼被固定(用密封件密封)至的兩個壁30b之一。壁30b和外殼32因而用作激光掃描器10的殼體。在兩個外殼32中的姆一個外殼的外側設置有優(yōu)選地為金屬的軛架34,軛架34部分地覆蓋所分配的外殼32并因此保護所分配的外殼32。每個軛架34被固定到承載結構30，更確切地，被固定在橫梁30a的底部。在本情況中，每個軛架34由鋁制成并在基座14一側被螺接到橫梁30a。每個軛架34從其在橫梁30a的底部的固定點傾斜地延伸到所分配的外殼32的下一個外轉角，從該外轉角沿著外殼32的外邊緣延伸到外殼32的位于上方的外轉角，在外殼32的上側面上傾斜地一直延伸到壁30b，沿著壁30b —段短的距離(可以具有另外的固定點)，然后在外殼32的上側面與所描述的路線鏡像對稱地傾斜地延伸到另ー個外轉角，沿著外殼32的外邊緣延伸到外殼32的位于下方的外轉角，并傾斜地延伸到橫梁30a的底側面的其他緊固點。兩個軛架34共同限定將兩個外殼32完全地布置在其中的(凸)空間，即兩個軛架34共同突出在外殼32的所有外邊緣和外表面上。在頂部和底部，軛架34的傾斜部分突出在外殼32的頂部和/或底部上，在四個其他面上，兩個部分均沿著外殼32的外邊緣延伸。外殼32因此被全面地保護。盡管每個軛架34主要具有保護功能，尤其是針對可能損壞外殼32和布置在下方的激光掃描器10部件的沖擊具有保護功能，但是可以在軛架34中的一者或兩者中集成另外的功能，例如用于承載激光掃描器10和/或照明裝置的握持可能性。在橫梁30a的頂部，設置有棱鏡36，棱鏡36平行地延伸至壁30b。在本情況中，棱鏡36是承載結構30的整體形成(即一體設計)的部件，但是單獨形成并緊固到橫梁30a也是可以的。當鏡16旋轉時，鏡16將發(fā)射光束18導向至橫梁，更確切地，導向至棱鏡36，在姆個旋轉期間一次，并且沿著棱鏡36移動由發(fā)射光束18生成的光斑。垂直于發(fā)射光束18的光斑的運動方向，棱鏡36的剖面被設計成使得從橫梁30a的頂部開始，設計向下指向的兩個梯形，從兩個梯形處突出有向上指向的等腰三角形。通常，發(fā)射光束18的光斑非常小，使得其擊中三角形的頂部，但是僅部分地照明側面。棱鏡36的表面被設計成使得沿著發(fā)射光束18的光斑的運動方向提供至少兩個不同的亮度級和/或顏色。例如，首先被照明的一半可以具有高亮度級(“淺灰色”、“白色”)，而接著被照明的一半可以具有低亮度級(“深灰色”、“黒色”)。反序或具有亮度級的若干變化的條紋圖案也是可以的。歸因于電子元件中例如光接收器21中的非線性，測量距離d取決于信號強度，即亮度、溫度和另外的參數(shù)。因此，距離校正是必要的，其被作為亮度的函數(shù)進行存儲并且是非線性的。因為棱鏡36具有已知距離d和已知亮度級，所以距離校正的校正可以借助于棱鏡36來執(zhí)行，也就是說在線，即在操作期間可以對溫度和其他參數(shù)的影響進行補償。在與棱鏡36的亮度級對應的點處，確定已知距離與測量距離之間的差。距離校正的校正通過使距離校正的曲線適于所確定的差來執(zhí)行。距離校正的校正優(yōu)選地在控制和評估單元22中進行。橫梁30a具有在底部開ロ的容置槽，并且在容置槽中插入轉軸模塊40。轉軸模塊40是預組裝組件，其一方面包括要固定在承載結構30處的部件，另ー方面包括相對于所述部件可旋轉的基座14以及固定到基座14的部件。基座14設置有向上突出的拱頂14a。在拱頂14a與承載結構30之間介入有密封件41。豎直地向上突起的轉軸42被固定到拱頂14a，在本情況中用螺釘固定。水平布置的蝸桿傳動裝置44被固定到轉軸42。轉軸42具有內頭46，該內頭46借助于交叉滾子軸承47支承外頭48。水平布置的編碼盤50被固定在內頭46的上端。在內頭46的上方，外頭48具有編碼器讀取頭52。此外，在內頭46與外頭48之間設置有用于數(shù)據(jù)和電源能量的內部(S卩，其發(fā)生在轉軸模塊40內)傳輸?shù)募姯h(huán)54。在外頭48的上端處和在基座14的下端處，設置有用于從測量頭12傳輸數(shù)據(jù)和能量以及將數(shù)據(jù)和能量傳輸至測量頭12的電插塞式連接器55。為了與蝸桿傳動裝置44相互作用，設置有具有行星齒輪57的電動機56,電動機56被支承在承載結構30中并驅動與蝸桿傳動裝置44嚙合的蝸桿58。所描述的轉軸模塊40被插入橫梁30a中，使得外頭48處的插塞式連接器55與合適的對應觸點(counter-contact)插在一起,蝸桿58與蝸桿傳動裝置44卩齒合,夕卜頭48可以固定到承載結構30，并且密封件59達到處于基座14與承載結構30之間。在轉軸模塊40中，轉軸42、蝸桿傳動裝置44、內頭46和編碼盤50固定至基座14，然而，相對于此可旋轉，外頭48和編碼器讀取頭52固定至承載結構30，具有行星齒輪57的電動機56和蝸桿58被支承。測量頭12因此相對于基座14關于豎直軸線是可旋轉的。激光掃描器10具有借助于空氣流動通過密封管來進行冷卻的集成冷卻裝置70。冷卻裝置70包括:優(yōu)選地以矩形剖面設計的吸入管72 ;風扇74 ;以及優(yōu)選地同樣以矩形剖面設計的出ロ管76。具有其殼體的風扇74以密封的方式連接到吸入管72以及連接到出ロ管76。吸入管72被布置在用于測量頭12的轉動運動的電動機56與用于旋轉布置在上方的鏡16的電動機之間。出口管76被布置在電動機56與電子裝置之間。吸入管72朝向承載結構30與外殼32之間的(大部分)密封空間Z敞開。空間Z的(相對于承載結構30的內部的)密封防止污垢和灰塵侵入承載結構的內部。承載結構30具有與電動機56相鄰的散熱片78，散熱片78將熱從承載結構30的內部傳遞到空間Z中。從外部，空氣通過優(yōu)選地為具有肋條的通風格柵的進氣ロ 80進入空間Z。在進氣ロ 80處的過濾器(例如過濾墊)防止粗塵粒和灰塵侵入空間Z。相對于空間Z是密封的出ロ管76在出氣ロ 82處終止，出氣ロ 82優(yōu)選地是具有肋條的通風格柵。進氣ロ 80和出氣ロ 82彼此分隔開，并且在本情況中被軛架34分隔，并被配置在外殼32的底部。通風格柵的肋條優(yōu)選地以如下方式排列:使得空氣流動到進氣ロ 80并從出氣ロ 82流出，進氣ロ 80和出氣ロ 82遠離彼此指向，即沒有加熱的空氣被吸入。此夕卜，熱管在具有控制和評估單元22的測量頭12的區(qū)域與吸入管72之間延伸，所述熱管同樣將熱傳遞到冷卻裝置70。風扇74經(jīng)由進氣ロ 80、空間Z和吸入管72吸入空氣，并經(jīng)由出ロ管76和出氣ロ 82再將空氣吹到激光掃描器10之外。從而進行冷卻。優(yōu)選地，激光掃描器10具有優(yōu)選地被連接到控制和評估單元22的各種傳感器，例如溫度計、側斜儀、測高儀、羅盤、陀螺羅盤、全球定位系統(tǒng)(GPS)等。借助于所述傳感器，監(jiān)測由特定參數(shù)例如幾何方位或溫度所限定的激光掃描器10的操作條件。如果ー個或若干個參數(shù)具有偏移，這由相應傳感器識別，并可以由控制和評估單元22進行補償。借助于所述傳感器，也可以識別操作條件的突變，例如改變激光掃描器10的方向對其的沖擊或激光掃描器10的移位。如果所述變化的量不能被足夠精確地記錄，則掃描過程必定中斷或中止。如果可以大致估計操作條件的所述變化的量，則測量頭12可以轉回ー些角度(直到存在與突變前已掃描的區(qū)域重疊為止)，并繼續(xù)掃描過程?？梢酝ㄟ^評估重疊區(qū)域來使掃描的兩個不同部分結合。附圖標記列表10激光掃描器12測量頭14 基座14a 拱頂16 鏡17光發(fā)射器18發(fā)射光束20接收光束21光接收器22控制和評估單元24顯示裝置30承載結構30a 橫梁30b 壁32 外殼34 軛架36 棱鏡40轉軸模塊41密封件42 轉軸44蝸桿傳動裝置46 內頭47交叉滾子軸承48 外頭50編碼盤
52編碼器讀取頭54集電環(huán)55插塞式連接器56電動機57行星齒輪58 蝸桿70冷卻裝置72吸入管74 風扇76 出口管78散熱片80 進氣 ロ82 出氣ロCltl激光掃描器的中心d 距離0 物體X測量點Z 空間
權利要求
1.ー種用于對環(huán)境進行光學掃描和測量的裝置，所述裝置被設計為激光掃描器(10)，所述激光掃描器(10)具有:光發(fā)射器(17)，所述光發(fā)射器(17)射出發(fā)射光束(18);光接收器(21)，所述光接收器(21)接收從所述激光掃描器(10)的環(huán)境中的物體(O)反射的或否則被散射的接收光束(20);以及控制和評估單元(22)，所述控制和評估單元(22)針對多個測量點(X)確定到所述物體(0)的距離，其特征在于，作為所述激光掃描器(10)的殼體的一部分，設置有至少ー個外殼(32)，所述至少一個外殼(32)在其外側被用作保護的至少ー個軛架(34)部分地覆蓋。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述軛架(34)覆蓋所述外殼(32)的至少一個外邊緣。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述軛架(34)被固定到所述激光掃描器(10)的承載結構(30)。
4.根據(jù)權利要求2和3所述的裝置，其特征在于，所述軛架(34)在所述外殼(32)的外邊緣與所述承載結構(30)之間傾斜地延伸。
5.根據(jù)權利要求3或4所述的裝置，其特征在于，所述軛架(34)在其與所述激光掃描器(10)的基座(14)相鄰的底部被固定到所述承載結構(30)。
6.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述外殼(32)由塑料制成和/或所述軛架(34)由金屬制成，特別地由鋁制成。
7.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所設置的軛架(34)限定將所設置的外殼(32)完全地布置在其中的空間。
8.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述發(fā)射光束(18)的光斑沿著所述激光掃描器(10)的具有至少兩個不同的亮度級和/或顔色的棱鏡(36)暫時地移動。
9.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述激光掃描器(10)具有轉軸模塊(40)，所述轉軸模塊(40)作為預組裝組件一方面設置有靜止在所述激光掃描器(10)的靜止參考系中的基座(14)以及另一方面設置有要被固定到相對于所述基座(14)可旋轉的測量頭(12)的承載結構(30)的部件。
10.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述激光掃描器(10)設置有冷卻裝置(70)，所述冷卻裝置(70)具有在承載結構(30)與用作殼體的外殼(32)之間的空間(Z)，所述空間(Z)借助于進氣ロ(80)向外部開放，對于其余部分，則相對于所述承載結構(30)的內部以及相對于所述外殼(32)是密封的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于對環(huán)境進行光學掃描和測量的裝置，該裝置被設計為激光掃描器(10)，所述激光掃描器(10)具有光發(fā)射器(17)，所述光發(fā)射器(17)射出發(fā)射光束(18)；光接收器(21)，所述光接收器(21)接收從激光掃描器(10)的環(huán)境中的物體(O)反射的或否則被散射的接收光束(20)；以及控制和評估單元(22)，所述控制和評估單元(22)針對多個測量點(X)至少確定到物體(O)的距離，設置有至少一個外殼(32)作為激光掃描器(10)的殼體的一部分，所述外殼(32)在其外側被用作保護的至少一個軛架(34)部分地覆蓋。
文檔編號G01S17/89GK103119464SQ201180046327
公開日2013年5月22日 申請日期2011年7月1日 優(yōu)先權日2010年7月26日
發(fā)明者阿克塞爾·魯蘭, 萊因哈德·貝克, 貝恩德-迪特馬爾·貝克 申請人:法羅技術股份有限公司