專利名稱：用于對(duì)環(huán)境進(jìn)行光學(xué)掃描和測(cè)量的裝置的制作方法
用于對(duì)環(huán)境進(jìn)行光學(xué)掃描和測(cè)量的裝置本發(fā)明涉及一種具有權(quán)利要求1的通用術(shù)語的特征的裝置。US7, 193，690B2描述了如下類型的裝置:其中，激光掃描器被安裝在三腳架上。為了借助于若干次掃描來配準(zhǔn)(register)場(chǎng)景,在掃描后,激光掃描器與三腳架一起被移動(dòng)到新的位置。本發(fā)明基于對(duì)引言中所提及類型的裝置進(jìn)行改進(jìn)的目的。這個(gè)目的是根據(jù)本發(fā)明借助于包括權(quán)利要求1的特征的裝置來實(shí)現(xiàn)。從屬權(quán)利要求涉及有利的配置。與三腳架的運(yùn)輸相比，可手動(dòng)移動(dòng)的臺(tái)車的使用有助于改變激光掃描器的位置。此外，可手動(dòng)移動(dòng)的臺(tái)車與自動(dòng)的臺(tái)車相比成本更低。激光掃描器可以在掃描期間保持安裝在臺(tái)車上，使得不需要另外的站立點(diǎn)(stand)。在靜止?fàn)顟B(tài)期間激光掃描器定位在臺(tái)車的位置的豎直上方提供了安全的站立點(diǎn)和規(guī)定的方位。當(dāng)使用關(guān)于激光掃描器和臺(tái)車的幾何結(jié)構(gòu)的概念“水平線”和“豎直線”時(shí)，假定重力的方向?qū)?yīng)于豎直線，即臺(tái)車位于水平面上。然而，臺(tái)車還可以朝向水平線和/或豎直線略微傾斜例如最高達(dá)15° (即，測(cè)量頭和鏡的旋轉(zhuǎn)軸線具有相應(yīng)的傾斜角)，而不在掃描或其評(píng)估的實(shí)現(xiàn)期間出現(xiàn)問題?；旧希す鈷呙杵鞔嬖谟袃煞N可能的操作模式，在這兩種可能的操作模式期間臺(tái)車是有幫助的。對(duì)于第一操作模式，可以使用從不同的位置進(jìn)行的若干次掃描來配準(zhǔn)完整的場(chǎng)景，其中激光掃描器借助于旋轉(zhuǎn)測(cè)量頭和旋轉(zhuǎn)鏡在每個(gè)位置處執(zhí)行掃描。臺(tái)車則僅用于改變位置。對(duì)于第二操作模式(“螺旋掃描”)，在臺(tái)車的移動(dòng)期間，測(cè)量頭可以保持空閑，而僅鏡進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以執(zhí)行掃描。在測(cè)量期間臺(tái)車則沿著所選擇的路徑移動(dòng)并且例如借助于輪中的編碼器來記錄位置的變化。這提供了一種用于沿著指定路徑快速地生成概要數(shù)據(jù)的方法。通過較多數(shù)量的輪和從而臺(tái)車的更穩(wěn)定并更均勻的移動(dòng)可以提高移動(dòng)的精確度。與電機(jī)驅(qū)動(dòng)的臺(tái)車相比，可手動(dòng)移動(dòng)的臺(tái)車顯著地降低成本。下面，以附圖中所示出的示例性實(shí)施例為基礎(chǔ)更詳細(xì)地闡述本發(fā)明，在附圖中:

圖1示出了具有安裝的激光掃描器的臺(tái)車的側(cè)視圖；圖2示出了從相對(duì)于圖1偏移90°的方向觀察的臺(tái)車的另一個(gè)側(cè)視圖；圖3示出了安裝裝置的截面圖；圖4示出了安裝裝置的平面圖；以及圖5示出了激光掃描器在操作期間的示意性的局部截面圖。提供了一種激光掃描器10,作為用于對(duì)激光掃描器10的環(huán)境進(jìn)行光學(xué)掃描和測(cè)量的裝置部分。激光掃描器10具有測(cè)量頭12和基座14。測(cè)量頭12安裝在基座14上，作為可以關(guān)于豎直軸線旋轉(zhuǎn)的單元。測(cè)量頭12具有可以關(guān)于水平軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)鏡16。兩條旋轉(zhuǎn)軸線的交點(diǎn)被指定為激光掃描器10的中心Cltl。測(cè)量頭12還設(shè)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(zhǎng)范圍內(nèi)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(zhǎng)波長(zhǎng)的其它電磁波。發(fā)射光束18采用調(diào)制信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制。發(fā)射光束18由光發(fā)射器17發(fā)射到旋轉(zhuǎn)鏡16上，在旋轉(zhuǎn)鏡16上發(fā)射光束18被偏轉(zhuǎn)并發(fā)射到環(huán)境中。在環(huán)境中被物體O反射或否則被散射的接收光束20再次被旋轉(zhuǎn)鏡16捕獲、偏轉(zhuǎn)和導(dǎo)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(zhuǎn)鏡16和測(cè)量頭12的角位置產(chǎn)生，旋轉(zhuǎn)鏡16和測(cè)量頭12的角位置取決于它們相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置的位置，每個(gè)相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置的位置又由一個(gè)編碼器測(cè)量?？刂坪驮u(píng)估單元22具有到測(cè)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(píng)估單元22 (例如連接到基座14的計(jì)算機(jī))也可以布置在測(cè)量頭12的外部。控制和評(píng)估單元22被配置成根據(jù)發(fā)射光束18和接收光束20的傳播時(shí)間來針對(duì)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)X確定激光掃描器10與物體O (處的照射點(diǎn))之間的距離d。為此目的，可以確定和評(píng)估兩個(gè)光束18和20之間的相移。借助于旋轉(zhuǎn)鏡16的(快速)旋轉(zhuǎn)，沿著圓周進(jìn)行掃描。依靠測(cè)量頭12相對(duì)于基座14的(緩慢)旋轉(zhuǎn)，借助于圓周來逐步地掃描整個(gè)空間。這種測(cè)量的測(cè)量點(diǎn)X的實(shí)體被稱為掃描。對(duì)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(diǎn)。基座14靜止在該局部靜止參考系中。除了到激光掃描器10的中心Cltl的距離d之外，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)X還包括同樣由控制和評(píng)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(hào)在歸屬于測(cè)量點(diǎn)X的測(cè)量時(shí)段上的積分而確定的灰階(gray-tone)值。可以借助于彩色相機(jī)來可選地生成圖片，借助于彩色相機(jī)，顏色(R、G、B)可以被分配給測(cè)量點(diǎn)作為值。為了從不同方向配準(zhǔn)場(chǎng)景，從不同的位置生成若干次掃描并且然后關(guān)于場(chǎng)景的關(guān)節(jié)坐標(biāo)系對(duì)若干次掃描進(jìn)行配準(zhǔn)。為此目的，激光掃描器10必須改變其位置，從而每次在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系內(nèi)移動(dòng)激光掃描器10的中心C1(l。為了容易改變位置，用于對(duì)激光掃描器10的環(huán)境進(jìn)行光學(xué)掃描和測(cè)量的裝置(除了上述的激光掃描器10本身之外)還包括臺(tái)車40，激光掃描器10 (持續(xù)地)安裝在臺(tái)車40上。可手動(dòng)移動(dòng)的臺(tái)車40具有支架42和支撐腳46，支架42具有至少兩個(gè)輪44，兩個(gè)輪44關(guān)于(虛構(gòu)的或物理的)公共軸線A彼此獨(dú)立地旋轉(zhuǎn)，并且每個(gè)輪44設(shè)置有編碼器45，當(dāng)臺(tái)車40不移動(dòng)時(shí)，支撐腳46以三個(gè)點(diǎn)限定支座。所用方向指的是該支座的(理想水平的)平面，其中為了移動(dòng)臺(tái)車40，臺(tái)車40相對(duì)于其靜止?fàn)顟B(tài)是傾斜的。支撐腳46在地面上支撐臺(tái)車40的點(diǎn)應(yīng)當(dāng)被命名為站立點(diǎn)P。代替支撐腳46，還可以設(shè)置相對(duì)于其他兩個(gè)輪44的軸線A移位的第三輪，并且第三輪優(yōu)選地是可操縱的。在本發(fā)明中，所述支架具有橫梁42a，從橫梁42a的相對(duì)的兩端的每個(gè)端處，支承件42b豎直地(向下)伸出，支承件42b支承兩個(gè)輪44之一(或兩個(gè)輪的軸線A)，并且在橫梁42a的第三端處，支撐腳46傾斜地(向下)伸出。此外，在本發(fā)明中，臂48從支架42處(向上)伸出彼此連接并被固定到橫梁42a的兩個(gè)平行的正方形型材48a。在臂48的兩側(cè)，伸出有例如平行于輪44的軸線A的柄49，其中從兩個(gè)正方形型材48a中的每一個(gè)型材伸出一個(gè)柄49。在臂48的上端，固定有安裝板50，在本發(fā)明中，安裝板50具有三角形狀，其中兩個(gè)正方形型材48a (用螺釘固定)在安裝板的三個(gè)角中的兩個(gè)角中。安裝板50支承安裝裝置52，在本發(fā)明中，安裝裝置52是具有可旋轉(zhuǎn)的安裝螺釘52a的圓柱形或正方形塊，所述安裝裝置52螺接至安裝板50(的第三角的區(qū)域內(nèi))。安裝板50具有鈕結(jié)(kink)，使得安裝裝置52傾斜地傾向支座48。對(duì)臂48的尺寸、橫梁42的尺寸以及一方面支撐腳46與橫梁42a之間的傾斜角和另一方面安裝裝置52與臂48之間的傾斜角進(jìn)行選擇，使得:安裝裝置52被精確地布置在支撐腳46的延伸方向上，其中，在臺(tái)車40的靜止?fàn)顟B(tài)中，安裝裝置52被精確地對(duì)齊在站立點(diǎn)P的豎直上方，并且安裝裝置50的上側(cè)被水平地對(duì)齊。具有基座14的激光掃描器10被布置在臺(tái)車40的安裝裝置52的上側(cè)并被固定至安裝裝置52，在本發(fā)明中，借助于安裝螺釘52a來螺定激光掃描器10，使得臂48支承激光掃描器10。在掃描期間，臺(tái)車40處于靜止?fàn)顟B(tài)，S卩，激光掃描器10 (理想地)被水平地對(duì)齊。在對(duì)于場(chǎng)景的兩次掃描之間，可以手動(dòng)地移動(dòng)具有激光掃描器10的臺(tái)車40，借助于柄49，臺(tái)車40圍繞輪44的軸線A傾斜，使得支撐腳46從地面分開，并且激光掃描器10的中心Cltl到達(dá)穿過輪44的軸線A的豎直線或通過該豎直線，并且然后在該(傾斜的)移動(dòng)狀態(tài)下借助于柄49推動(dòng)或拉動(dòng)臺(tái)車40。典型的尺寸例如為:激光掃描器10的中心Cltl位于站立點(diǎn)P上方1600mm，輪44彼此之間間隔600mm ;在橫梁42a與地面之間的支撐腳46為400mm長(zhǎng)；在靜止?fàn)顟B(tài)中，臂48與連接安裝裝置52和站立點(diǎn)P的(豎直)線之間的傾斜角為12°。正方形型材48a可以計(jì)量為40mmX 40mm，并且具有安裝板50的安裝裝置52可以為64mm高。臺(tái)車40具有路徑測(cè)量裝置，在示例性實(shí)施例中，其包括位于輪44處的兩個(gè)編碼器45以及從編碼器45到激光掃描器10尤其是到控制和評(píng)估單元22的未示出的連接。兩個(gè)編碼器45中的每一個(gè)編碼器測(cè)量所分配的輪44的表示其路徑(作為時(shí)間的函數(shù))的旋轉(zhuǎn)，使得每個(gè)輪44的路徑的長(zhǎng)度直接由兩個(gè)輪44的信息的組合決定以及臺(tái)車40的路徑的方向由兩個(gè)輪44的信息的組合決定。可替換地，提供了一種例如測(cè)量光流的光學(xué)路徑測(cè)量裝置。對(duì)于激光掃描器10的第一操作模式(旋轉(zhuǎn)的測(cè)量頭12、旋轉(zhuǎn)的鏡16、靜止的臺(tái)車40)，為了借助于臺(tái)車40的路徑測(cè)量裝置來配準(zhǔn)場(chǎng)景，可以進(jìn)行從一個(gè)視點(diǎn)到下一個(gè)視點(diǎn)的改變，這有助于單個(gè)掃描在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中的配準(zhǔn)。對(duì)于激光掃描器10的第二操作模式(靜止的測(cè)量頭12、旋轉(zhuǎn)的鏡16、移動(dòng)的臺(tái)車40)，在臺(tái)車40的移動(dòng)期間生成或多或少地具有激光掃描器的相同傾斜角的掃描，臺(tái)車40的路徑測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)在掃描中被記錄，作為另外的坐標(biāo)。與第一操作模式相比，路徑測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)取代了測(cè)量頭12的編碼器的數(shù)據(jù)?？刂坪驮u(píng)估單元22可以立即評(píng)估路徑測(cè)量裝置的日期或?qū)⒙窂綔y(cè)量裝置的日期包括到用于隨后的評(píng)估的掃描中，或分別記錄它們，使得它們可以與掃描的數(shù)據(jù)同步。路徑測(cè)量裝置還可以具有其自己的控制單元，該控制單元獨(dú)立地記錄編碼器45的數(shù)據(jù)并隨后將它們傳送到控制和評(píng)估單元22。較多數(shù)量的輪，例如可操縱的另外的第三輪，或總共四個(gè)輪，使臺(tái)車40的移動(dòng)穩(wěn)定，特別是在第二操作模式期間，在第二操作模式期間應(yīng)當(dāng)(借助于三個(gè)輪)保持激光掃描器10的傾斜角。位于彼此獨(dú)立地旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)輪44處的兩個(gè)編碼器45對(duì)于路徑測(cè)量裝置是足夠的。然而，具有另外的編碼器的較多數(shù)量的輪可以為誤差校正提供信息，該信息本身是冗余的。激光掃描器10和/或臺(tái)車40優(yōu)選地具有不同的傳感器，例如溫度計(jì)、側(cè)斜儀、測(cè)高儀、羅盤、陀螺羅盤、全球定位系統(tǒng)(GPS)等，所述傳感器優(yōu)選地連接到控制和評(píng)估單元
22。借助于所述傳感器，監(jiān)測(cè)由例如幾何方位或溫度的特定參數(shù)所限定的激光掃描器10的操作條件。如果一個(gè)或若干個(gè)參數(shù)出現(xiàn)偏移，則這被所分配的傳感器識(shí)別，并且可以由控制和評(píng)估單元22進(jìn)行補(bǔ)償。借助于所述傳感器，也可以識(shí)別操作條件的突變，例如在激光掃描器10上的改變激光掃描器10的方位的沖擊或激光掃描器10的移位。如果所述變化的程度不能被以足夠的精度檢測(cè)，則掃描過程必定被中斷或中止。如果可以大致估計(jì)操作條件的所述變化的程度，則測(cè)量頭12可以轉(zhuǎn)回一些角度(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。可以通過評(píng)估重疊區(qū)域來使掃描的兩個(gè)不同部分結(jié)合到一起。對(duì)于第二操作模式，所述傳感器的數(shù)據(jù)對(duì)臺(tái)車40的路徑測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行改善。在激光掃描器10的第一操作模式期間，在掃描過程之前可以借助于測(cè)斜儀檢查激光掃描器10相對(duì)于水平線和相對(duì)于豎直線的方位。優(yōu)選地，臺(tái)車40具有調(diào)節(jié)可能性，例如支撐腳46的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)或安裝裝置52的傾斜角調(diào)節(jié)，以調(diào)節(jié)臺(tái)車40和/或激光掃描器10的方位。附圖標(biāo)記的列表10激光掃描器12測(cè)量頭14 基座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(píng)估單元40 臺(tái)車42 支架42a 橫梁42b支承件44 輪45編碼器46支撐腳47 臂48正方形型材49 柄50安裝板52安裝裝置52a安裝螺釘A 軸線C10激光掃描器的中心d 距離O 物體P站立點(diǎn)
X 測(cè)量點(diǎn)
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)環(huán)境進(jìn)行光學(xué)掃描和測(cè)量的裝置，所述裝置具有激光掃描器(10)，所述激光掃描器(10)具有基座(14)和相對(duì)于所述基座(14)可旋轉(zhuǎn)的測(cè)量頭(12)，所述測(cè)量頭(12 )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)接收被所述激光掃描器(10)的環(huán)境中的物體(O)反射或否則被散射的接收光束(20);以及控制和評(píng)估單元(22)，所述控制和評(píng)估單元(22)針對(duì)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)(X)至少確定到所述物體(O)的距離，其特征在于，所述裝置具有可手動(dòng)移動(dòng)的臺(tái)車(40)，所述激光掃描器(10 )借助于其基座(14 )被安裝在所述臺(tái)車(40 )上，并且所述臺(tái)車(40 )能夠從靜止?fàn)顟B(tài)變到移動(dòng)狀態(tài)，其中所述臺(tái)車(40)具有用于測(cè)量其路徑的路徑測(cè)量裝置(45、45)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述臺(tái)車(40)具有設(shè)置有至少兩個(gè)輪(44)的支架(42)，所述至少兩個(gè)輪(44)是彼此獨(dú)立地可旋轉(zhuǎn)的，尤其是關(guān)于公共軸線(A)彼此獨(dú)立地可旋轉(zhuǎn)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述路徑測(cè)量裝置(45、45)具有至少兩個(gè)編碼器(45)，所述至少兩個(gè)編碼器(45)中的每個(gè)編碼器被分配給所述至少兩個(gè)輪(44)之O
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征在于，所述支架(42)設(shè)置有支撐腳(46)或具體為可操縱的第三輪，其中所述支撐腳(46)或所述第三輪的在地面處的支撐點(diǎn)限定站立點(diǎn)(P)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述臺(tái)車(40)具有支承所述激光掃描器(10 )的臂(48 )，其中所述臂(48 )具體地從所述支架(42 )伸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述臂(48)支承安裝裝置(52)，具體地，所述臂(48)將所述安裝裝置(52)支承在被固定至所述臂(49)的安裝板(50)上，其中所述安裝裝置(52)必須與所述激光 掃描器(10)的所述基座(14)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求4和6所述的裝置，其特征在于，在所述臺(tái)車(40)的所述靜止?fàn)顟B(tài)期間，所述安裝裝置(52)位于所述站立點(diǎn)(P)的豎直上方。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，在所述臺(tái)車(40)的所述靜止?fàn)顟B(tài)下，所述臂(48)傾斜地朝向連接所述安裝裝置(52)和所述站立點(diǎn)(P)的線傾斜。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，在所述臺(tái)車(40)的所述移動(dòng)狀態(tài)下，所述安裝裝置(52)位于所述輪(44)的所述軸線(A)的豎直上方，或者，當(dāng)所述臺(tái)車(40)從所述靜止?fàn)顟B(tài)傾斜到所述移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，所述安裝裝置(52)已通過穿過所述輪(44)的所述軸線(A)的豎直線。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述臺(tái)車(40)具有用于調(diào)節(jié)所述激光掃描器(10)的對(duì)齊和/或所述臺(tái)車(40)的對(duì)齊的調(diào)節(jié)可能性。
全文摘要
一種用于對(duì)環(huán)境進(jìn)行光學(xué)掃描和測(cè)量的裝置，該裝置具有激光掃描器(10)和可手動(dòng)移動(dòng)的臺(tái)車(40)，所述激光掃描器(10)具有基座(14)和相對(duì)于基座(14)可旋轉(zhuǎn)的測(cè)量頭，所述測(cè)量頭具有光發(fā)射器，該光發(fā)射器射出發(fā)射光束；光接收器，該光接收器接收被激光掃描器(10)的環(huán)境中的物體(O)反射或否則散射的接收光束；以及控制和評(píng)估單元，該控制和評(píng)估單元針對(duì)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)(X)至少確定到物體的距離；所述激光掃描器(10)借助于其基座(14)安裝在臺(tái)車(40)上，并且臺(tái)車(40)可以從靜止?fàn)顟B(tài)變到移動(dòng)狀態(tài)，其中臺(tái)車(40)具有用于測(cè)量其路徑的路徑測(cè)量裝置。
文檔編號(hào)G01C15/00GK103154770SQ201180046896
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2011年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月29日
發(fā)明者安德烈亞斯·迪特, 馬丁·奧西格 申請(qǐng)人:法羅技術(shù)股份有限公司