专利名称：用于光学地扫描和测量周围环境的方法
技术领域：
本发明涉及一种具有权利要求1的通用术语的特征的方法。
背景技术：
借助于诸如例如从DE 20 2006 005 643 Ul已知的装置——该装置被设计为激光扫描器——可以执行一种在介绍中提到的类型的方法。由于该激光扫描器的故障(damage) 或其他误差源，扫描变得不正确。
发明内容
本发明的目的是改进背景技术中提到的类型的方法。根据本发明、借助于一种包括权利要求1的特征的方法实现该目的。从属权利要求涉及有利的配置。通过将测量头转动大于必需的半圈，至少一些测量点被双重确定。然后利用激光扫描器的不同的机械布置——指向空间中的相同的点的水平和垂直的角的另外的组合——两次确定这样的点。尽管仍然是同一激光扫描器，两种不同的布置导致两次不同的扫描，即就像由两个不同的激光扫描器产生的两次不同的扫描。然而，两次不同的扫描以定义的方式相关联。可以将从双重确定的测量点获得的附加信息用于误差校正。由此可以校正测量点的坐标，即优先地是它们的角坐标。可用的双重测量点越多，校正可以进行得越好。取决于误差的类型，进一步用于没有双重测量点的后续扫描的激光扫描器的单次校准是足够的。 然而，也可以校正动态误差。本方法还可以用于验证数据如果被测数据是一致的，即如果对于双重测量点，不存在偏差，和/或偏差足够�。虿饬渴菔潜谎橹さ�。与例如用于确定倾斜轴线误差的两个圆周位置的测量不同，本发明中测量的不是在穹窿上的同一点，而是用理论上相同的坐标测量两次，且由双重测量的目标物的坐标来确定可能的误差。
下面基于附图中示出的示例性实施例，更详细地说明本发明，附图中图1示出光学地扫描和测量激光扫描器的周围环境的示意图，其中激光扫描器以部分截面图示出，以及图2示出轴线和角的图解。
具体实施例方式激光扫描器10被提供为用于光学地扫描和测量该激光扫描器10的周围环境的装置。激光扫描器10具有测量头12和基座14。测量头12安装在基座14上，作为可以绕垂直轴线旋转的单元。测量头12具有可以绕水平轴线旋转的反射镜16。反射镜16的水平轴线称为第一轴线A，反射镜16的指定的旋转角称为第一角α，测量头12的垂直轴线称为第二轴线B，测量头12的指定的旋转角称为第二角β，第一轴线A与第二轴线B的交点称为激光扫描器10的中心C1Q。测量头12还设置有用于发射光束18的发射的光发射器17。发射光束18优选地是波长在约340nm到IOOOnm的可见范围的激光光束、如790nm的激光光束。然而原则上，也可以使用例如具有更长波长的其他电磁波。发射光束18例如使用正弦或方形波形调制信号进行幅度调制。发射光束18由光发射器17发射到反射镜16上，在反射镜16上发射光束18被偏转和被发射到周围环境。在周围环境中被目标物0反射或者被散射的接收光束 20又被反射镜16捕获、被偏转和被导引到光接收器21上。发射光束18和接收光束20的方向由反射镜16和测量头12的角位——即，两个角α和β——得到，反射镜16和测量头 12的角位取决于其相应的旋转致动装置的位置，每个相应的旋转致动装置的位置又由一个编码器记录。控制和评估装置22具有到测量头12中的光发射器17和光接收器21的数据连接，由此也可以在测量头12的外面布置控制和评估单元22的部分，例如连接到基座14 的计算机。对于多个测量点X，控制和评估单元22根据发射光束18和接收光束20的传播时间来确定目标物0(上的照射点)与激光扫描器10之间的距离d。为此目的，确定和评估两束光束18和20之间的相移。扫描借助于反射镜16绕第一轴线A的(快速)旋转沿着圆周进行，即第一角α 每次进行(360° )回转。然而，其中，大致40°的角度范围不能够使用，这是因为在这个角度范围内，发射光束18被导引到基座14上和被导引到安装在基座14上的测量头12的部分上。由于测量头12相对于基座14绕第二轴线B的(慢速)旋转，借助于这些圆周逐步地扫描了整个空间。在测量头12旋转时，反射镜16同时执行若干完整的回转。这种测量的测量点X的整体称为扫描。对于这样的扫描，激光扫描器10的中心Cltl限定了其中基座 14静止的激光扫描器10的静止坐标系。关于激光扫描器10尤其关于测量头12的设计的进一步细节描述在例如US 7，430，068 Β2和DE 20 2006 005 643 Ul中，其相应的公开文本被参引并入本文中。归因于激光扫描器10的设计，激光扫描器10限定如下球坐标系，该球坐标系具有中心Cltl、作为半径的距离d以及两个角α和β。然而，在球坐标中，原则上，一个角进行完整的回转，而另一角只行进一半那么多。由于在本发明的激光扫描器中，第一角α已经进行了完整的回转，当第二角β已从0°行进到180°时，即当测量头12已旋转半圈时，也就完成了相对于坐标的完整扫描。测量头12的初始位置(β =0° )限定由垂直平面分开的两个半球。当第二角 β为180°时，一个半球已经使用从底部到顶部行进的(发射光束18的)激光束光斑进行了扫描，而另一个半球已经使用从顶部到底部行进的(发射光束18的)激光束光斑进行了扫描。然而在本发明中，测量头12进行大于半圈的回转(β >180° )，尤其是进行一次完整的回转。尽管反射镜16仍然沿相同的方向旋转，但是现在发射光束18的光斑在每个半球中沿相反的方向行进。同一激光扫描器10用相反(反转)的机械布置进行扫描。第一角α和第二角β的另一组合指向空间中的同一个点，即，通过第一角α和第二角β的两种不同的组合描述空间中的同一个点。若干测量点X、特别地所有的测量点X由此确定了两次。如果激光扫描器10的处于理想状态，并且设置也理想，那么双重测量点X会是完全相同的。然而，激光扫描器10的故障，例如反射镜和/或测量头的弯曲的支承物会导致两条轴线A和B不再在中心Cltl处相交和/或彼此不再严格垂直。在这种误差的情况下，双重测量点X彼此偏差，即，实际上相应的测量点X具有偏差的坐标偏差。现在可以将这些偏差(测量点X的不一致)用于校准激光扫描器10并由此用于校正测量点X。在这样做时，可以再次缩减测量点X，使得所有校正过的测量点X只可用一次。为了查找相应的测量点X，可以使用例如正如已经开发用于拼接若干扫描的方法。 在进行扫描之前，可以在周围环境中悬置若干标靶(target) 1\、T2、…，即，特殊的目标物0 或目标物0的特殊部分。由于测量点12旋转了大于180°的第二角β，扫描的至少一个区域重叠，以使得一些(优选地至少三个)标靶Ι\、Τ2、…被双重记录的方式重叠。已经证明球形或棋盘图案是尤其适合的(并因此是优选的)标靶Ι\、Τ2、…。然后标靶Ι\、Τ2、…必须在扫描中被定位和识别。由标靴Ι\、Τ2、…的坐标的偏差得到彼此对应的测量点X的偏差。由于测量点X的(坐标的)偏差不应太大，也可以借助于误差校正方法，例如借助于最小平方误差方法来寻找彼此对应的测量点X。测量头12转动越多，即在180°到360°范围内的第二角β越大，校准就变得越好。为了识别动态误差，测量点12执行多于一个的完整的回转，则是更加是明智的。相对于不一致性来检查数据。如果在测量点X处没有或仅有充分小的偏差或其他的不一致性，那么根据本发明的方法几乎自动地提供对该数据的验证。如果该不一致性超出了一定的限度，则会检测到严重的误差，例如在扫描期间由于冲击使得激光扫描器10的方位发生改变的情况下。优选地，激光扫描器10包括各种传感器，例如温度计，测斜仪，测高仪，罗盘，陀螺罗盘，全球定位系统(GPQ等，优选地传感器被连接到控制和评估单元22。借助于所述传感器，监控由诸如几何方位或温度的特定参数所定义的激光扫描器10的工作条件。如果一个或多个参数出现漂移，那么相关联的传感器将检测到该漂移，该漂移可以由控制和评估单元22进行补偿。借助于所述传感器，也可以检测工作条件的突变，例如冲击改变激光扫描器10的方位，或激光扫描器10的偏移。如果所述变化的量不能被足够精确地检测，那么扫描工作将被中断(interrupt)或中止(abort)。如果可以大致估计工作条件的所述变化的量，那么测量头12可以转回一些角度(直到可获得与突变前扫描的区域的重叠为止)，并继续扫描工作。可以通过评估重叠的区域来使扫描的两个不同部分结合。根据本发明的方法也允许放弃工作条件的突变之前或者之后的扫描部分，即较小的部分。参考符号列表10激光扫描器12测量头14 基座16反射镜17光发射器18发射光束20接收光束
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21光接收器22控制和评估单元A第一轴线α 第一角B第二轴线β 第二角C10激光扫描器的中心d 距离0目标物Ti 标靶X测量点
权利要求
1.一种用于光学地扫描和测量激光扫描器(10)的周围环境的方法，所述激光扫描器 (10)包括测量头(12)，所述测量头(1 具有光发射器(17)和光接收器；反射镜 (16)，所述反射镜(16)可相对于所述测量头(12)绕第一轴线(A)旋转；基座(14)，所述测量头(12)可相对于所述基座(14)绕第二轴线⑶旋转；控制和评估单元02)；以及中心 (C1Q)，所述中心(Cltl)对于扫描，定义所述激光扫描器(10)的静止坐标系和所述扫描的中心，其中，所述光发射器(17)发射出发射光束(18)，，所述反射镜(16)在所述测量头(12) 的旋转期间将发射光束(18)反射到周围环境中且进行若干次完整的回转，所述光接收器 (21)接收经由所述反射镜(16)的接收光束，所述接收光束被所述激光扫描器(10)的周围环境中的目标物(0)反射或者被散射，且对于所述扫描的多个测量点(X)，由所述控制和评估单元02)至少确定所述中心(Cltl)到所述目标物(0)的距离(d)，其特征在于，所述测量头(12)进行多于半圈的回转用于所述扫描，其中，至少一些测量点(X)被双重确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量头(12)进行完整的回转用于所述扫描，将所有的测量点(X)确定两次。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定双重测量点⑴的偏差，并将双重测量点(X)的偏差用于所述激光扫描器(10)的校准和补偿。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述双重测量点(X)的所述偏差用于所有的测量点(X)的校正。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，将实际上彼此对应的这些测量点⑴ 的坐标的偏差确定为偏差。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过误差校正方法来确定实际上彼此对应的测量点(X)的坐标的偏差。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光扫描器(10)的所述周围环境设置有标靶0\、τ2、…)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，由于所述测量头(12)的旋转，所述扫描的区域以使得一些标靶Ι\、Τ2、…被双重记录来重叠。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助于被双重确定的测量点 (X)来执行数据的验证。
10.一种用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的激光扫描器(10)。
全文摘要
一种用于光学地扫描和测量激光扫描器(10)的周围环境的方法，该激光扫描器(10)包括测量头(12)，该测量头(12)具有光发射器(17)和光接收器(21)；反射镜(16)，该反射镜(16)可相对于测量头(12)绕第一轴线(A)旋转；基座(14)，测量头(12)可相对于该基座(14)绕第二轴线(B)旋转；控制和评估单元(22)；以及中心(C10)，该中心(C10)对于扫描定义激光扫描器(10)的静止坐标系和该扫描的中心，其中，光发射器(17)发射出发射光束(18)，反射镜(16)在测量头(12)的旋转期间将发射光束(18)反射到周围环境中且进行若干次完整的回转，光接收器(21)接收经由反射镜(16)的接收光束，其中接收光束被激光扫描器(10)的周围环境中的目标物(O)反射或者被散射，且对于扫描的多个测量点(X)，控制和评估单元(22)至少确定中心(C10)到目标物(O)的距离(d)，测量头(12)进行多于半圈的回转用于扫描，其中，至少一些测量点(X)被双重确定。
文档编号G01S17/89GK102232196SQ201080003466
公开日2011年11月2日 申请日期2010年7月29日 优先权日2009年8月20日
发明者于尔根·吉廷格, 莱因哈德·贝克, 马丁·奥西格 申请人:法罗技术股份有限公司
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