CN103201590A - 测量和标记沿水平延伸的轮廓线的空间点的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量和标记建筑中的空间点的施工丈量装置（10），该施工丈量装置具有：底座（11）；上部（12），该上部（12）以所述上部可以绕旋转轴旋转的方式安装在底座上；观测单元（13），该观测单元（13）具有设计为发射激光束（14）的激光源和激光检测器；评估和控制单元（20）。该情况下，第一旋转驱动器和第二旋转驱动器使得可以驱动所述上部或所述观测单元并使所述上部或所述观测单元调准，可以利用两个测角器来检测所述观测单元相对于所述底座的空间调准，并且可以利用评估和控制单元确定空间点的坐标。根据本发明，该施工丈量装置（10）具有水平线投影功能，该功能在触发后至少有时自动运行并且旨在在任意形状的表面上测量和标记沿在水平面（16）中延伸的水平线（15）的空间点（1a、1b、1c）。

Description

测量和标记沿水平延伸的轮廓线的空间点的装置

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的、用于在建筑和/或扩建建筑（具体地，室内施工）的情景下对空间点进行测量和标记的施工丈量装置，涉及根据权利要求9的前序部分的、用于借助根据本发明的施工丈量装置来测量和标记公共水平面中的空间点的关联方法，并涉及根据权利要求15的前序部分的、用于提供、控制和执行该方法的计算机程序产品。

在许多应用中，投射可见或不可见的基准线，所述基准线充当用于人眼或电子系统的基准，并且还允许自动定位或机器导航。这里，通常通过加宽激光束（这具体地对于直线是可能的），或者通过旋转投射激光点来建立基准线。

适合于此的技术装置的示例是旋转激光器，这些旋转激光器利用可见或不可见激光束来定位平面并且在例如建筑业或工业中已经使用了多年。旋转激光器是用于在水平、垂直或其他已定义角度的平面上标记作图线的重要辅助设备。但是，以前的旋转激光器的缺点在于它们只能建立含有激光束起始点的那些投影平面。由此，为了在预先限定的水平面中沿直线投射空间点，常规的旋转激光器的发光点必须精确地定位在该平面中，并且激光器模块必须精确地调整为水平发出光（并且旋转轴必须精确地垂直调准）。由此，利用用于标记水平面的旋转激光器的工作区域被限制为针对上面安装有该旋转激光器的底座的高度的调整区域。借助常规的旋转激光器沿非水平（例如，向上倾斜）方向投射绕垂直轴旋转的激光束导致近处空间点的投影高度比远处空间点的投影高度低。

WO 96/18083公开了一种用于在远处线、远处区域上或在至少部分封闭的空间中进行测量和标记的方法和装置。在不同情况下，根据两个空间角度和到基准点的距离，借助安装有万向节的激光测距仪，来测量一个或更多个相关的空间点。激光测距仪可以绕两个互相垂直的轴而枢转，这两个互相垂直的轴装配有测角器。根据该文献中所描述的一个实施方式，手动瞄准要测量的空间点，并且基于测量与标记之间的预定相关关系，根据测量数据来计算标记点，然后通过测量和标记装置来独立瞄准这些标记点。

出于执行系统水准测量的目的，还公开了一个用于执行绝对测量和标记的实施方式，其设置了用于计算与空间中的实际方向有关的空间点坐标的数学模型，其结果是还可以使空间中的垂直线减少。

但是，没有公开自动运行功能，借助该功能，可以以简单方式瞄准和标记存在于公共水平面（该公共水平面不含有激光束的发射点）中的空间点；也没有公开在等轮廓线上延伸的多个空间点的自动顺序测量（例如与扫描器相比较）。

US 6,547,397公开了一种用于在物体上投影三维图像的激光投影系统和相应的投影方法，其中，通过在物体上选择至少三个基准点来固定坐标系统，激光束被投影到各个基准点，通过确定激光束的传播时间以及与物体的水平角和垂直角来建立到各个基准点的距离，并且由此建立激光投影仪相对于物体的三维方位。虽然基于该公开可以进行三维物体测量或相应的物体投影，但是该文献没有提供关于如下功能的启示，借助该功能，可以容易地在不含有激光束发射点的水平面中生成空间点。

EP 1 733 185公开了如下装置和方法，借助该装置和方法，具体地，精确测量多边形上但是平面上的边。该文献也没有提供关于如下功能的启示，借助该功能，可以容易地在不含有激光束发射点的水平面中生成空间点。也没有关于在任意的非多边形面上测量或投射空间点的任何启示。

EP 2 053 353公开了一种具有光电测距仪的基准线投影装置。根据该应用的教导，沿所规定的基准路径引导光学基准光束，更具体地，激光束。在经过基准路径时，通过发射与基准光束平行或同轴的测量光束或通过利用基准光束作为测量光束，对基准路径的至少一个点进行距离测量。在接收到一部分反向散射的测量光束之后，根据这些部分得到信号，并且根据该信号来确定到至少一个点的距离，其中，沿基准路径的引导重复至少一次并且当每次经过基准路径时都针对至少一个点建立距离或与距离相关参数。由此，在角度同步的距离测量的情况下，多次扫描相同点。

通过结合测距仪，EP 2 053 353中所公开的系统还能够基于所建立的表面形貌学来控制投影。具体地，公开了在确定表面形貌之后，投影以补偿由于曲面产生的变形并且投影对应于要测量或标记的物体的未变形的轮廓的方式而适合于曲面。

但是，EP 2 053 353也没有公开或建议如下功能，借助该功能，可以容易地在不含有激光束发射点的水平面中生成空间点。

本发明的目的在于提供一种用于测量和标记空间点的施工丈量装置，尤其是其中，在各情况下，可以在表面上生成在所限定的水平面中延伸的一条基准线，并且在空间中的任意高度以高操作舒适性来指示该条基准线-而未改变装置的位置。具体地，应当避免将装置与期望的要被指示的水平面齐平定位的必要性。本发明的另一个目的是能够自动运行对公共水平面中的多个空间点的测量或投影或标记。

这些目的通过实现独立权利要求的特征化特征来实现。按另选或有利方式改进了本发明的那些特征可以从从属专利权利要求以及从说明书（包括附图的描述）来收集。

本发明的主题是一种作为基准线投影系统的施工丈量装置，其用于从第一预定空间点开始在结构（更具体地是建筑）的水平面水平的预先限定的水平面中在作为投影面的任意形状表面上沿着线测量和标记空间点。该系统包括底座和安装在所述底座上的上部，使得该上部在方位角的角度范围内绕旋转轴可旋转。设置在所述上部上的是观测单元，该观测单元在仰角的角度范围内绕枢轴轴线枢转安装并且装配有被构造为从发光点发射激光束的激光源和激光检测器，该观测单元提供距离测量功能。具体地，发光点可以设置在与水平面高度不同的立高处。根据本发明的施工丈量装置还包括评估和控制单元。

这里，该系统包括第一旋转驱动器和第二旋转驱动器，它们使得可以驱动上部或观测单元或使所述上部或所述观测单元以方位角和仰角调准。可以借助两个用于确定方位角和仰角的测角器来捕捉所述观测单元相对于所述底座的空间调准。评估和控制单元连接到激光源、激光检测器和测角器，以将捕捉到的距离与相应的调准（即，在该过程中捕捉到的方位角和仰角）相关联，从而确定空间点的坐标。

根据本发明，施工丈量装置具有水平面指示功能，该水平面指示功能被触发后至少部分地自动运行。在预先限定的水平面中从所限定的已知的第一空间点开始，或者借助预先限定了水平面并且在第一调准中已经测量并存储了其空间坐标的空间点，观测单元被移动到任意的第二方位调准中。凭借水平面指示功能的帮助，观测单元被自动调准该表面上的第二空间点，该第二空间点是在第二方位调准中设置的和在与第一空间点相同的水平面中。为此，发射激光束所使用的仰角自动适配到由观测单元用于瞄准第二空间点的第一空间点的位置所限定的水平面高度。

换言之，根据本发明的施工丈量装置由此具有水平线投影功能，该水平线投影功能在触发后至少部分地自动运行，该施工丈量装置用于在任意形状的表面上测量和标记沿特定水平面中延伸的水平线的空间点，在该情景下，从限定了所述水平面的已知的第一空间点开始，并且在改变所述观测单元的方位调准之后，在所述评估和控制单元借助所述第一旋转驱动器和/或所述第二旋转驱动器进行自动控制的各种情况下，以所述激光束精确地瞄准并标记在相应的各个当前方位调准中位于所述水平线上的那些空间点的方式，改变所述观测单元的仰角调准。

这里，具体地，术语水平面是相对于与其垂直延伸的地球重力场矢量而言的。装置相对于地球重力场矢量的当前调准可以优选地用倾斜传感器单元来确定，这些倾斜传感器单元更具体地集成在装置的底座中，并且这些倾斜传感器单元的测量数据同样发送到评估和控制单元。然后可以基于此来确定各垂直点的空间坐标。本领域技术人员充分意识到倾斜传感器单元在该情况下可以被构造为确定在两个方向（即，关于两个轴）相对于重力场（或相对于与重力场垂直取向的水平面）的倾斜。举例来说，两个单轴倾斜传感器或一个双轴倾斜传感器（诸如，光电水平仪传感器、光电油壶或光电圆水准器）可以用于确定倾斜度。在申请号为EP 10173726.0的欧洲专利申请中详细描述了这样的油壶型倾斜传感器的示例，借助该油壶型倾斜传感器可以确定关于至少两个轴的倾斜度。另选地，还可以通过作为自由摆安装的测量铅垂杆或铅垂线的端点来确定与地球重力场矢量平行的垂直调准。

但是，即使没有建立与重力场矢量的调准关系，平面也可以被确定以及被假定为水平面。举例来说，可以基于被假定为沿水平方向延伸的房间天花板来预先进行校准测量，并且其它面的水平特性可以依附于此。

具体地，以以下方式来配置水平线投影功能：从第一空间点开始，测量或投影在方位角度范围内，尤其在要连续测量或投影的空间点之间的预限定距离，在预先限定的水平面中的预先限定的空间点之间的其它空间点。

在该过程中，为了适配观测单元的仰角调准，该仰角调准是作为对改变方位调准的反应而出现的，更具体地说当改变方位调准时立即出现，

·可以借助所述两个测角器来连续捕捉所述观测单元相对于所述底座的空间调准，并且

·可以连续捕捉与表面上的当前被瞄准的空间点的距离，

所述捕捉更具体地以至少10Hz的频率来执行。

根据一个改进，在所限定的方位角度范围内，更具体地方位角速度为至少每秒12°，在所述评估和控制单元借助所述第一旋转驱动器和/或所述第二旋转驱动器进行自动控制下，在所述水平线投影功能的情景下，可以连续改变观测单元的方位调准，并且，在该过程中，使观测单元的仰角调准立即以自动方式在各情况下连续进行适配，即，与方位调准的连续改变在时间上并行，激光束在所述表面上的投影总是被沿着水平线引导。

结果，观测单元（13）的仰角调准对于绕垂直轴的旋转是“立即的”，分别以实时模式以以下方式适配：激光束（14）的投影在所述表面上沿着水平线（15）前进。

而且，优选的是，以以下方式配置水平线投影功能：选择性地从第一空间点开始，可以在360°的方位角范围中进行空间点的测量或投影。

这就是说，在该过程中，观测单元的方位调准在360°的方位角度范围内自动连续改变，更具体地，方位角速度为每秒至少24°，具体地为每秒36°。结果，例如，可以在房间的所有墙壁上的内部空间中显示等轮廓线。

现在，为了在特定的期望时间（例如，在安装期间）连续显示等轮廓线，观测单元的方位调准可以以激光束在所述表面上的投影沿着水平线重复（即，多次通过）引导的方式在指定的方位角度范围（可选地，也是重复大约360°）内自动连续改变。

在该过程中，可以提供在用于沿着水平线引导激光束的投影的一次或更多次初始通过的情景下要捕捉并存储的、位于水平线上的空间点的测量数据，然后使用该最初捕捉并存储的测量数据，使得在用于沿着水平线引导激光束的投影的随后通过中，使优化当改变方位调准时观测单元的仰角调准的立即适配，更具体地，使得以更快速度和/或由此更精确地沿着水平线引导激光束的投影。

因此，换言之，以以下方式配置根据该改进的水平线投影功能：从第一空间点开始，重复测量或投影沿位于其之间的线（水平线）连续测量或投影的空间点之间的空间点，其中，从存储的测量数据（具有预先测量或投影空间点的方位角和仰角）开始，观测单元的调准以更高的速度改变仰角，因此，使得也可以更高速地测量或投影预先限定的水平面中的空间点。

另外，在用于优化随着所述方位调准的变化立即发生的、观测单元的仰角调准的相应适配的水平线投影功能的情景下，可以使用数学模型来描述表面的形状。尤其是，在该情况下可以假定所述表面为平面区域、圆柱体的侧面区域或球面。具体地，数学模型可以存储在评估和控制单元的存储介质中，和/或数学模型可以是基于与到位于所述表面上的空间点的距离和相对于位于所述表面上的空间点的角度有关的、所存储的测量数据或为该目的专门捕捉的测量数据所创建的，尤其是通过最佳拟合方法所创建的。

这就是说，对于在改变观测装置的水平/方位调准期间或之后要设置的仰角的适配（尤其是加速适配），可以使用存储在表中的、针对仰角相对于各方位角的测量或设置角并且上述测量或设置角可以留待更新后的仰角设置来取出。在具有比较简单的几何图形形状的表面作为投影区域的情况下，例如，彼此以一定角度但是在同一平面内选择性设置的多个表面，或者具有可以容易地进行数学描述的表面轮廓的表面，例如，椭圆表面或圆表面或圆柱面（例如，宣传柱），由于预知数据，投影区域的轮廓形貌还可以存储在评估和控制单元的存储介质中，或者可以在第一次测量或投影之后确定并存储投影区域的轮廓形貌，由此，尤其是在相同投影区域上的随后测量或水平线投影可以同样地使它们的运行时间加速。通过（在存储介质中）存储预先测量的点并且（如果需要）随后调用相应的测量值或者通过包括关于表面的几何图形的假设，因此沿等轮廓线的空间点的投影（或与测量在时间上并行发生）可以以增加的旋转速度出现（并且，例如，获得大约每秒0.1和5转之间的旋转速度）。

换句话说：水平线投影功能优选地以以下方式来配置：在观测单元的水平调准不同的情况下，为了发射激光束，以顺序地瞄准与第一空间点共面的水平面中其它空间点，仰角自动进行适配。为此，另选地或组合地，根据关于到被瞄准空间点的距离和相对于被瞄准空间点的方位角和倾斜角的测量数据或者通过利用描述投影区域的表面形状的数学函数来迭代确定用于顺序投影其它空间点所需的仰角。

为了使要设置的仰角加速适配于不同的方位角，与观测单元的不同水平调准对应地，尤其是用于描述投影区域的表面形状的数学函数还可以存储在评估和控制单元的存储介质中，并且如果需要的话可以调用该数学函数。这里，对于已知表面，用于描述表面轮廓的这些数学函数可以预先存储在存储介质中，或者可以在第一测量或投影步骤中确定，或根据与到在公共水平面中被瞄准的空间点的距离和相对于被瞄准的空间点的方位角与仰角有关的测量数据的通过所确定，并且在随后的测量或投影过程调用该数学函数。

根据另一方面，水平线投影功能还可以以下方式来配置：在预确定了表面上的水平线的期望路径长度之后，从第一空间点开始，在评估和控制单元借助第一和/或第二旋转驱动器的自动控制下，连续改变观测单元的方位调准，直到激光束沿着水平线的投影行进了所述表面上的期望路径长度为止。

由此，可以从第一空间点开始，借助投影区域上的距离限定到随后要测量或投影的空间点的预期距离（在表面上沿水平线的路径）。

评估和控制单元（作为用于处理和显示数据的监控单元）与激光检测器或传感器通信，其中，监控单元和传感器可以物理地分离并且借助无线或有线通信连接器而互连，或者可以是一个单元。为了将激光束调准到要测量或要投影的空间点上，至少激光束本身可以充当测量光束。为了辅助用户瞄准空间点，该施工丈量装置可以附加地装配有可以在监控单元的显示器上显示图像的光学观测辅助设备，例如，概貌相机或所谓的“取景相机”。

这里，观测单元可以以下方式来构造：激光源可发射的激光束充当测量和标记激光束，并且可以基于在激光束所瞄准的物体面上反射的、被激光检测器接收到的部分激光束由评估和控制单元建立到该物体面的空间点的距离。

但是，另选地，激光束还可以具有例如由不同源发射的多个部分，具体地，用于标记激光束的部分和与标记激光束平行发射或同轴发射的用作测量激光束的部分。在该过程中，这些部分例如可以具有不同波长，例如，标记激光束具有在可见光范围中的波长和测量激光束具有在IR或NIR光范围中的波长。为此，观测单元还可以以这样的方式来构造：激光源具有两个局部激光源，这两个局部激光源被分别构造为用于发射激光束在可见波长范围中的第一部分作为标记激光束和激光束中的在近红外波长范围中的第二部分作为测量激光束，该第二部分与标记激光束同轴延伸或与标记激光束具有少量平行偏移地延伸。

本发明的另一个主题涉及一种用于借助根据上述实施方式中的一个实施方式的根据本发明的施工丈量装置来测量和标记施工水平面中的空间点（水平面与这些空间点共面）的方法。按照根据本发明的方法，首先，使观测单元调准，并且在第一水平调准中将激光束发射到第一空间点上。测量第一空间点并且存储其空间坐标。然后将观测单元移动到任意第二水平调准中。在触发根据本发明的水平线投影功能后，观测单元自动调准到第二空间点，该第二空间点是在第二水平调准中设置的并且与第一空间点在相同的水平面中。在该过程中，由用于瞄准第二空间点的观测单元将发射激光束所使用的仰角自动调适配到为由第一空间点的位置限定的水平面高度，结果，在预先限定的水平面中沿着所述线在投影区域上引导激光束。

在从属权利要求中类似地描述了根据本发明的方法的进一步实施方式，或者上面已经描述为施工丈量装置的根据本发明的水平线投影功能的改进。

本发明的另一个主题涉及具有存储在机器可读介质中的程序代码的计算机程序产品，该计算机程序产品用于提供、控制和执行根据本发明的方法或者根据上述实施方式中的一个实施方式的根据本发明的施工丈量装置的水平线投影功能。该程序优选地在被实施为根据本发明的施工丈量装置的评估和控制单元的电子数据处理单元上执行。

本发明的另一个主题涉及将施工丈量装置用作根据上述实施方式中的一个实施方式的等轮廓线投影系统，该等轮廓线投影系统用于测量和标记施工（更具体地，建筑）的预先限定的水平面中的空间点；用于在用于调准要组装的部件（尤其在飞机和机动车施工中）的片材上投影，用于当使用诸如用于钻孔的工具时进行支持；或用于普通的组装支持，例如用于投影到形状中的凹部上，在该凹部中应当装配材料部分。

本发明允许用户以简单的方式测量或投影在任意预定水平面中延伸的空间点，或施工表面上的线，而施工丈量装置本身不需要与期望的水平面水平设置，也不需要手工水平调准。

根据本发明的上述施工丈量装置和根据本发明的用于测量和标记施工水平面中的空间点（水平面与这些空间点共面）的方法是用于在特定的可见（激光）测量光束或投影束的帮助下向限定面或投影区域投影图案的相应系统和方法的具体实施方式。

本发明解决了在更普遍技术问题的情景下的具体问题，即，在投影或测量系统的帮助下，将任意图案投影到作为投影区域的限定区域上，该投影或测量系统的技术类似于根据本发明的施工丈量装置，并且以补偿由于倾斜延伸或非平面投影区域或壁而引起的图案扭曲的方式具备权利要求1的前序部分的特征。在上述解决的根据本发明的具体问题中，要创建的图案是水平延伸的线。

为了解决更普遍的问题，可以将该图案作为评估和控制单元（“控制单元”，CU）上的例如以二维或三维坐标的列表的形式的数据记录来管理。从而可以用正确的几何图形将该图案显示在投影区域上，测量光束排列在区域上并且图案与测量有关地定位。为此，存在投影区域上的一个或更多个的空间点的至少一个测量。这里，图案的初始数据是以二维未定位（仿射平面）形式获得还是以三维定位（直角坐标空间）形式获得并没有关系。

如果存在二维图案，则投影图案必须是平面的；在三维情况下，投影区域不需要遵循任何预先限定的几何图形，而是该图案的三维数据仅仅可以不具有到区域的几何图形的空间距离（在追求的管理精度内）。

在图案的二维初始数据的情况下，投影区域必须是平面的；在三维图案初始数据的情况下，投影区域不需要与任何预先限定的几何图形对应。图案的三维数据应当仅在所追求的测量或投影精度之内有利，不具有到与投影区域的几何图形对应的空间点的数据的空间距离。

当调准观测单元的激光束或测量光束时，要执行的步骤依赖图案和投影区域二者的几何图形，并且还依赖图案和投影区域之间的相应的几何图形对应关系。

--在二维图案和正交平面或与本地重力铅垂线平行取向的平面的情况下，测量平面区域上的至少两个（空间）点就足够了。而且，万一区域相对于测量光束正交调准，甚至仅测量单个空间点就足够了。

--否则，应当在该区域上测量至少三个（空间）点，这些点在空间中不位于公共直线上。如果该图案以三维形式存在，则通常需要要测量的这三个（空间）点是图案的几何图形的一部分或与图案的几何图形对应。

--如果测量比各几何图形情况需要的最小数量更多的（空间）点（冗余），则投影或测量系统可以通过补偿计算来监视或提高测量精度。

当针对测量将图案定向或调准在区域上时所要执行的步骤同样依赖图案和投影区域这两者的几何图形，并且还依赖图案与投影区域之间的相应的几何图形对应关系。下文中该图案中的点（这些点与被测量的（空间）点一致）在该情况下称作“固定点”。

--在二维图案的情况下，有利的是，在用于调准观测单元的激光束或测量光束的区域上预先测量的（空间）点已经是固定点或与固定点对应，但这不是必要的。然后，进入监控单元就足够了，图案的点与预先测量的（空间）点对应，由此构造固定点，以定向图案的位置。在更普遍的情况下，当预先测量的点不与图案点对应时，重新测量（空间）点，并且凭借在监控单元的显示器上的重叠显示中偏移图案，使空间点进入与图案点的几何图形对应关系中。为此，例如，通过借助光标键指定偏移值或通过监控单元的显示器中的图形可视化和偏移，创建被测量（空间）点与图案点的一致性（“平移校正”或“偏移”）。如果需要，图案的显示应当仍然绕（第一）固定点旋转，这例如可以通过输入旋转角或创建针对第二点的一致性（“旋转校正”）而发生。这些步骤将基于附图和相应描述来进一步进行说明。

--在二维图案的情况下，还有利的是，凭借例如在监控单元的显示器上的重叠显示中偏移图案，将至少两个（空间）点（用于调准观测单元的激光束或测量光束而预先测量的）形成直线（可以使其与（限制）图案点的直线有关）。为此，例如，通过借助光标键指定偏移值或通过监控单元的显示器中的图形可视化和偏移，创建被测量（空间）点与图案点的一致（“平移校正”或“偏移”）。如果需要，图案的显示应当仍然绕（第一）固定点旋转，这例如可以通过输入旋转角或创建针对第二点的一致性而发生。

--在通常情况下，需要三个相应的测量（空间）点和图案点，以在用于生成三个固定点的任意（投影）区域上定向或调准任何图案，如上所述可选地结合平移和旋转校正。

在观测单元的激光束或测量光束已经被调准并且图案已经被定向之后，图案的任意点可以根据用户输入自动投影在投影区域上的正确位置。这可以通过键盘、操纵杆或语音识别引导的输入将命令输入到监控单元，或通过调用自动运行的顺序、逐点投影功能来实现。

下面基于附图中示意性例示的具体示例性实施方式，以完全示例性的方式更具体地描述根据本发明的施工丈量装置（作为等轮廓线投影系统）和根据本发明的用于测量和标记施工的水平面中的空间点（水平面与这些空间点共面）的方法，其中，还将讨论本发明的进一步优点。具体在图中：

图1例示了用于测量和标记与这些空间点共面的水平面中的空间点的根据本发明的施工丈量装置及由此可执行的方法；

图2例示了根据本发明的施工丈量装置的可能的实施方式；

图3例示了用于解决更普遍技术问题的技术功能和方法步骤，即，以补偿由于倾斜延伸或非平面投影区域或壁而产生的图案变形的方式，将图案（在具体情况下是网格图案）投影到投影区域上；

图4例示了在根据图3a至图3e的情况的变型例，其中，二维点图案被投影到圆壁上，更精确地，被投影到圆柱形投影区域上；

图5例示了本发明的具有表面轮廓监视功能的变型例。

图1例示了用于测量和标记沿施工（更具体地，建筑）的水平面16中的线15的空间点1a、1b、1c（水平面16与这些空间点共面）的、根据本发明的施工丈量装置10及由此可执行的方法。

在该示例中，施工丈量装置10包括底座11，该底座11被具体实施为三脚架，上部12以旋转方式安装在底座11上面。枢转安装在上部12上的观测单元13装配有激光源和激光检测器从而提供距离测量功能，该激光源被构造为发射激光束14、从发光点17以立高s发出。

这里，观测单元可以以下方式来构造：激光束（其可以由激光源发射）充当测量和标记激光束，并且可以基于在物体表面上反射的、由激光检测器接收到的部分激光束由评估和控制单元建立到激光束所瞄准的物体面的空间点的距离。

但是，另选地，激光束还可以具有例如由不同源发射的多个部分，尤其是用作标记激光束的部分和用作与标记激光束平行发射或同轴发射的测量激光束的部分。举例来说，在该情况下这些部分可以具有不同波长，例如，用于标记激光束的在可见光范围的波长和用于测量激光束的在IR或NIR光范围的波长。也就是说，观测单元还可以以这样的方式来构造：激光源具有两个局部激光源，这两个局部激光源被分别构造为用于发射在可见波长范围中的第一部分激光束作为标记激光束和在近红外波长范围中的第二部分激光束（与标记激光束同轴延伸或与标记激光束轻微平行偏移延伸）作为测量激光束。

而且，施工丈量装置10包括评估和控制单元（未示出），其中，同样未示出的第一和第二旋转驱动器使得可以驱动上部12或观测单元13或将这些与方位角和仰角调准。可以借助两个测角器来捕捉观测单元13相对于底座11的空间调准。举例来说，测角器可以被构造为角度传感器和倾斜传感器。评估和控制单元连接到激光源、激光检测器和测角器，以将捕捉的距离和捕捉的方位角以及仰角与观测单元13的相应调准关联，从而确定空间点的坐标。

具体地，另外提供双轴倾斜传感器或两个单轴倾斜传感器，借助该双轴倾斜传感器或两个单轴倾斜传感器，可以参照地球的重力场矢量确定底座11相对于水平面的倾斜。首先，设置水平特性的外部基准，第二，确定底座11（观测单元13和整个装置）相对于该外部水平面的当前调准（这与地球的重力场矢量有关）。通常，另外装配水平定向或倾斜传感器意味着没有必要执行底座11相对于地球的重力场矢量的非常精确的水平调准安装（这以其他方式手动进行并且难度大），但是这可以借助评估和控制单元通过计算考虑在内（竖轴误差补偿）。

根据本发明，施工丈量装置10具有水平面指示功能或水平线投影功能，该功能在触发之后至少部分自动运行。从预先限定的水平面16中的、限定的已知第一空间点1a开始，或者借助预先限定了水平面16的那些空间点的空间排列以及在第一水平调准中测量并存储的空间点的空间坐标，观测单元13移动到任意第二水平调准中。这可以在用户的直接控制下出现或以之后自动预定的测量或投影间隔出现。在该过程中，要按顺序设置的方位角（与观测单元13的不同水平调准相对应）可以与施工丈量装置10的内部坐标系统有关，或者与要投影在投影区域16上的相邻空间点1a、1b、1c之间的预定间隔有关。

凭借水平线投影功能的帮助，观测单元13被自动调准到第二空间点1b上，该第二空间点1b是在第二水平调准中设置的并与第一空间点1a在相同的水平面中。为此，观测单元13使用于发射激光束14的仰角自动适配于由第一空间点1a的位置限定的水平面高度h，以瞄准第二空间点1b，因此，沿着在预先限定的水平面16中的投影区域上的线来引导观测单元13。

图2示出了根据本发明的施工丈量装置10的可能的实施方式。系统10包括监控单元20，作为用于处理和显示数据的评估和控制单元。监控单元20和激光检测器或传感器彼此通信。监控单元20和激光检测器或传感器可以物理分离或借助无线或有线通信连接器22而互连，或者可以设置为一个单元。为了将激光束14调准到要测量或要投影的空间点，至少激光束14本身可以充当测量光束。为了辅助用户瞄准空间点，施工丈量装置10可以另外装配有光学观测辅助设备（例如，望远镜）或光电观测辅助设备（例如，概貌相机或所谓的“取景相机”，其图像可以显示在监控单元20的显示器21上）。

图3a至图3e例示了用于解决更普遍的技术问题的技术功能和方法步骤，即，以补偿由于倾斜延伸或非平面投影区域或壁而产生的图案变形的方式，将图案（在具体情况下是网格图案33）投影到投影区域上的技术问题。

为此，以二维或三维坐标列表的形式管理网格图案33，作为评估和控制单元或监控单元20上的数据记录。为了可以将网格图案33以正确的几何图形显示在投影区域上，通常最初需要将观测单元的激光束或测量光束调准到投影区域上。

图3a至图3e涉及如根据在前描述可以执行的、图案33相对于区域上的（空间）点的测量（预先执行该测量）在投影区域上的定向或调准。

图3a例示了具有显示器30和命令条31的控制和评估单元或监控单元20，命令条31具有用于移动网格图案33在显示器30上的显示的箭头键32a至32d。通过操作箭头键32a至32d来生成网格图案33在显示器上的平移运动或偏移。结果，在相对于该线平行和/或正交的调准中在投影区域的被测量（空间）点之间，可以使网格图案33的点适配于显示于预定线，例如预先生成的预定线。用于执行旋转方向或用于确定网格图案33的显示的水平调准的功能可以例如通过倾斜传感器35（例如，作为水准仪）的符号表示来显示，优选地与网格图案33在显示器30上的显示的旋转的输入选项组合，这些旋转由系统用户来限定。图3a还以示例方式例示了所选例示的点或线之间的距离36a、36b的数值显示，这优选地实时发生。

在二维网格图案33的情况下，图3b例示了投影面上的以前测量的（空间）点不与网格图案点对应的情况下，如何确定以前测量的空间点基准线37a。用户选择基准线37a和网格图案点38a，并且根据系统功能，向用户显示网格点38a的最短距离（即，与基准线37a正交确定的距离）。

根据图3c，用户可以例如选择另一个网格图案点38b，向用户显示该点的最短（即，同样与基准线37a正交确定的）距离。

如图3d所示，从例如最后选择的网格图案点38b开始，用户可以选择不同的基准线37b，向用户显示到该基准线37b最短（即，与基准线37b正交确定）的距离。

根据图3e，用户可以选择另一个网格点38c或测量的（空间）点，作为另一个基准点，并且已经向用户显示到预先选择的网格图案点的距离。

通常通过按压命令条31上的确认键34来确认接受所显示的测量数据，并且在确认足够数量的测量（空间）点或基准点与网格图案点一致之后，用户可以移动网格图案，并且使网格图案适配于期望尺寸，并且，在一致的情况下，对网格图案30的符合实际的投影进行初始化。

在根据图3a至图3e的情况的变型中，预定二维点图案，如图4所示，该二维点图案应当被投影到圆壁上，更精确地，投影到圆柱形投影区域40。

原则上，可以将几何学上是规则的表面（即，可以由闭合数学函数表示的表面）进行参数化，以将预定的二维图案转换成三维几何图形，然后逐点进行投影。

在下文中描述了如下方法，借助该方法，利用根据本发明的基准线投影系统，在装配有应用所需功能的情况下，该图案可以实时被投影而无需转换。

为此，使用图案的仿射性质（即，图案中相邻点之间的间隔）。瞄准要投影的第一点，作为固定点。选择相邻的图案点，作为下一个固定点或第二固定点，其中，激光检测器或传感器连续用于测量并且迭代地更新观测方向，直到预期的两个固定点的实际测量距离与预定值对应为止。为了加速迭代，可以在第二固定点位于通过第一固定点并且与激光的瞄准线方向正交的虚构平面上的简化假设下，来计算迭代的第一步骤。这是如何在单工作步骤中使激光检测器或传感器相对于被减化为最初的两个图案点的图案而调准并定向。换言之，在数学形式中，这表示假定了由这两个点和与实际实际面相交而限定的虚构平面。

从点对点继续该过程，并且因此，第二点和第三点结合与实际的真实面的相交限定下一个虚构平面。因此，凹凸面被一系列的平面连续接近，并且同时投影图案。要被投影的实际区域的轮廓越接近平面几何图形，该方法的精确度和速度越大。

所描述的过程受到随机误差传播和系统误差传播的风险的影响。因为每次连续的逐点迭代时系统的测量不精确度被反映出来，所以可能出现随机误差，而将（点）图案的存储数据投影到预定区域上的测量不精确度仅在将观测单元调准到要投影的第一点时起作用。如果该真实区域在不同点具有不同曲率，则可能出现系统误差。然后，在要投影的同一（空间）点处的迭代可能在不同的迭代路径上得到排列不同的真实点。如果该功能最初不允许忽视、跃过并之后测量图案中的中间点，则这可能还具有不利影响。

为了使描述的两种误差传播的效果最小化，有利的是，从三维坐标的角度来设置该平面上已经一次投影的点，或存储所述点作为固定点并根据其存储坐标在新投影过程期间瞄准后者，而不是再次迭代地瞄准这样的点。另选地或附加地，对于另外的图案点的投影，这些另外的图案点各个到第一限定的固定点的预定距离还可以用于计算投影数据，但是其与投影变形的风险有联系，尤其是在不规则曲面的情况下。

该描述的过程的主要优点由以下事实构成：可以在固定第一固定点之后开始投影，以及可以对于各图案点进行图案相对于（投影）区域的定向或适配，以根据需要凭借能够顺序使用要投影的点实时地用于调准观测单元和用于对图案关于（投影）区域进行定向或适配。

图5例示了本发明的具有表面轮廓监视功能的变型例。使用表面轮廓监视功能的前提是预先确定基准面的轮廓。基准面优选地具有数学上可描述的轮廓，例如，球形曲面或平面。

用于使真实面轮廓适配于基准面的预定轮廓所需精度依赖于应用。在土方开挖或垃圾堆的应用的情况下，所需精度通常比较低；相反，对于水平的调节和校正，通常公差是毫米级的。

举例来说，在示例性的具体应用中，坑洞应当用碎石填充并且填充到预定倾卸高度。根据坑洞的轮廓，可能难以确定所需填充材料的体积。

根据另一个具体用途，计划道路具有2%的路面倾斜，其中，该表面的实际倾斜由于不平而偏离了计划的轮廓。因此，现场的负责人员必须使计划的施工项目的实施适应于实际情况。

已知的现有技术不允许用户利用简单方法来改变基准面的几何形状，并且不允许用户测试对实际情况的相应潜在影响。相反，用户通常必须对应地执行连续测量和/或计算，用于确定基准面或使基准面适应于实际地貌。

为了应用表面轮廓监视功能，如基于图5例示的，作为一个前提，必须预先测量境界线54和用于确定要处理的表面的真实几何图形的某些真实（空间）点。在调用程序之后，表面轮廓监视功能的图形表示示出在监控单元的显示器50上。在显示器50上预先确定的基准面和真实面的测量点重叠。用户可以选择任意测量的空间点51，向用户示出从该空间点51到基准面的距离52。借助相应的输入命令53，例如通过控制场的图形激活，可以修改基准面的几何图形；例如，从平面的基准面倾斜的角度来说，可以升高或降低或改变平面的基准面。举例来说，箭头55可以用于示出基准面的倾斜方向（梯度）。举例来说，用户可以在选择（“点击”）用于显示倾斜方向的箭头55之后，移动后者并且使调准任意其他方向，以由此改变基准面的轮廓。

测得的真实面的几何图形之间的差（例如关于距离、倾斜、调整到基准面所需的材料体积）实时显示在改变后的基准面的几何图形上。

该功能允许单个用户进行真实面与基准面之间的调整。由此显著降低从实施角度而言使施工的计划几何图形适应于真实面几何图形所需的复杂性。

应理解的是，这些例示的图仅示意性地例示了可能的示例性实施方式。各种方法同样可以彼此组合并与根据现有技术的方法组合在一起。

Claims (15)

1.一种施工丈量装置（10），该施工丈量装置（10）用于在建筑和/或扩建建筑，尤其是在室内施工，的情景下测量和标记空间点（1a、1b、1c），该施工丈量装置（10）具有：

·底座（11），

·上部（12），该上部（12）安装在所述底座（11）上，使得该上部（12）绕旋转轴可旋转，

·观测单元（13），该观测单元（13）绕枢轴轴线枢转安装在所述上部（12）上，提供距离测量功能并具有被构造为发射激光束（14）的激光源和激光检测器，以及

·评估和控制单元，

其中，

·第一旋转驱动器和第二旋转驱动器使得能够驱动或调准所述上部（12）或所述观测单元（13），

·所述观测单元相对于所述底座（11）的空间调准能够借助两个测角器而被捕捉到，以及

·所述评估和控制单元连接到所述激光源、所述激光检测器和所述测角器，以将捕捉到的距离与相应的调准相关联，从而确定空间点的坐标，

其特征在于，

所述施工丈量装置（10）具有水平线投影功能，该水平线投影功能在被触发后至少部分地自动运行，用于在任意形状的表面上测量和标记沿水平面（16）延伸的水平线（15）的空间点（1a、1b、1c），在该情景下，从限定了所述水平面（16）的已知的第一空间点（1a）开始，并且在改变所述观测单元（13）的方位调准之后，在所述评估和控制单元借助所述第一旋转驱动器和/或所述第二旋转驱动器进行自动控制的各种情况下，以所述激光束（14）精确地瞄准并标记在相应的各个当前方位调准中位于所述水平线（15）上的那些空间点（1b）的方式，改变所述观测单元（13）的仰角调准。

2.根据权利要求1所述的施工丈量装置（10），其特征在于，

为了适配所述观测单元（13）的仰角调准，该仰角调准是作为对改变所述方位调准的反应而出现的，更具体地说在改变所述方位调准时立即出现的，

·借助所述两个测角器来连续捕捉所述观测单元相对于所述底座（11）的空间调准，并且

·连续捕捉与表面上的当前被瞄准的空间点的距离，

所述捕捉更具体地以至少10Hz的频率来执行。

3.根据权利要求1或2所述的施工丈量装置（10），其特征在于，

在所限定的方位角度范围内，更具体地方位角速度为至少每秒12°，在所述评估和控制单元借助所述第一旋转驱动器和/或所述第二旋转驱动器的自动控制下，在所述水平线投影功能的情景下，所述观测单元（13）的所述方位调准是连续改变的，并且，在该过程中，所述观测单元（13）的所述仰角调准立即，即，与所述方位调准的连续改变在时间上并行，以所述激光束（14）在所述表面上的投影总是被沿着所述水平线（15）引导的自动方式在各情况下连续进行适配。

4.根据权利要求2或3所述的施工丈量装置（10），其特征在于，

·所述观测单元（13）的所述方位调准在360°的方位角度范围内自动连续改变，更具体地方位角速度为每秒至少24°，具体地为每秒36°，或者

·所述水平线投影功能以下方式来配置：在预先确定了所述表面上的所述水平线的期望路径长度之后，从所述第一空间点（1a）开始，在所述评估和控制单元借助所述第一旋转驱动器和/或所述第二旋转驱动器的自动控制下，所述观测单元（13）的所述方位调准被连续改变，直到所述激光束（14）沿着所述水平线（15）的投影已经行进了所述表面上的所述期望路径长度为止。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的施工丈量装置（10），其特征在于，

所述观测单元（13）的所述方位调准以所述激光束（14）在所述表面上的投影沿着所述水平线（15）重复地，即，多次通过地，引导的方式在指定的方位角度范围内自动连续改变，并且从在沿着所述水平线（15）引导所述激光束的投影的一次或更多次初始通过的情景下存储的测量数据开始，使用位于所述水平线（15）上的空间点，使得在随后通过中，当改变所述方位调准时所述观测单元（13）的所述仰角调准的立即适配被优化，因此沿所述水平线（15）的引导也被优化，更具体地，使得所述激光束的投影被以更快速度和/或由此更精确地沿着所述水平线（15）引导。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的施工丈量装置（10），其特征在于，

在用于优化随着所述方位调准的变化立即发生的、所述观测单元（13）的所述仰角调准的相应适配的所述水平线投影功能的情景下，数学模型被用来描述表面的形状，尤其是其中所述表面被假定为平面区域、圆柱体的侧面区域或球面，尤其是其中所述数学模型存储在所述评估和控制单元的存储介质中，和/或所述数学模型是基于与到位于所述表面上的所述空间点的距离和相对于位于所述表面上的所述空间点的角度有关的、所存储的测量数据或为该目的专门捕捉的测量数据所创建的，尤其是通过最佳拟合方法所创建的。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的施工丈量装置（10），其特征在于，

所述观测单元（13）以下方式来构造：

·所述激光源能够发射的激光束（14）充当测量和标记激光束，或者

·所述激光源具有两个局部激光源，这两个局部激光源被分别构造为用于发射激光束（14）的在可见波长范围中的第一部分作为标记激光束和所述激光束（14）的在近红外波长范围中的第二部分作为测量激光束，所述第二部分与所述标记激光束同轴地延伸或与所述标记激光束有少量平行偏移地延伸，

并且所述评估和控制单元能够基于激光束（14）中的在所述激光束（14）所瞄准的物体表面（3、3’）上反射的、由所述激光检测器接收到的部分，建立到述激光束（14）所瞄准的所述物体表面（3、3’）的空间点的距离。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的施工丈量装置（10），其特征在于，

关于水平特性的外部基准能够由以下方式来创建：

倾斜传感器单元，该倾斜传感器单元被构造为确定两个轴相对于地球重力场矢量的倾斜度并且向所述评估和控制单元发送该倾斜传感器单元的测量数据，更具体地其中，所述倾斜传感器单元集成在所述底座（11）中，

和/或

对在已知外部调准中所定位的基准预先进行校准测量，所述基准是更具体地如自由摆安装的铅垂杆或铅垂线的两端点的基准或被假定为水平调准的基准平面的基准，并且借助所述评估和控制单元得到外部水平特性。

9.一种用于借助根据权利要求1至8中的任一项所述的施工丈量装置（10）来测量和标记施工的公共水平面（16）中的空间点的方法，该方法包括以下步骤：

·调准所述观测单元（13），并且将所述激光束（14）发射到第一空间点（1a）上；

·测量所述第一空间点（1a）并且存储其空间坐标；

·改变所述观测单元（13）的方位调准；

·在所述评估和控制单元借助第一旋转驱动器和/或第二旋转驱动器进行自动控制的各种情况下，以激光束（14）精确地瞄准并标记在相应的各个当前方位调准中位于所述水平线（15）上的那些空间点（1b）的方式，适配在改变所述方位调准之后发生的所述观测单元（13）的仰角调准。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

为了适配所述观测单元（13）的仰角调准，该仰角调准是作为对改变所述方位调准的反应而出现的，更具体地说在改变所述方位调准时立即出现的，

·借助所述两个测角器来连续捕捉所述观测单元相对于所述底座（11）的空间调准，并且

·连续捕捉到所述表面上的当前被瞄准的空间点的距离，

所述捕捉更具体地以至少10Hz的频率来执行。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，

在所限定的方位角度范围内，更具体地说方位角速度为至少每秒12°，在所述评估和控制单元借助所述第一旋转驱动器和/或所述第二旋转驱动器的自动控制下，连续改变所述观测单元（13）的所述方位调准，并且，在该过程中，使所述观测单元的所述仰角调准立即，即，与所述方位调准的连续改变在时间上并行，以所述激光束（14）在所述表面上的投影总是被沿着所述水平线（15）引导的自动方式在各情况下连续进行适配。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其特征在于，

·所述观测单元（13）的所述方位调准在360°的方位角度范围内自动连续改变，更具体地是方位角速度为每秒至少24°，具体地为每秒36°，或者

·在预先确定了所述表面上的所述水平线的期望路径长度之后，从所述第一空间点（1a）开始，在所述评估和控制单元借助所述第一旋转驱动器和/或所述第二旋转驱动器的自动控制下，连续改变所述观测单元（13）的所述方位调准，直到所述激光束（14）沿着所述水平线（15）的投影已经行进了所述表面上的所述期望路径长度为止。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其特征在于，

以沿着所述水平线（15）重复，即，多次通过地，引导所述激光束（14）在所述表面上的投影的方式，在指定的方位角度范围内自动连续改变所述观测单元（13）的所述方位调准，并且从在沿着所述水平线（15）引导所述激光束的投影的一次或更多次初始通过的情景下存储的测量数据开始，使用位于所述水平线（15）上的空间点，使得在随后通过中，优化当改变所述方位调准时所述观测单元（13）的所述仰角调准的立即适配，因此也优化了沿所述水平线（15）的引导，更具体地，使得以更快速度和/或由此更精确地沿着所述水平线（15）引导所述激光束的投影。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其特征在于，

为了优化随着所述方位调准的变化立即发生的、所述观测单元（13）的所述仰角调准的相应适配，使用数学模型来描述表面的形状，尤其是其中所述表面被假定为平面区域、圆柱体的侧面区域或球面，尤其是其中所述数学模型存储在所述评估和控制单元的存储介质中，和/或所述数学模型是基于与到位于所述表面上的所述空间点的距离和相对于位于所述表面上的所述空间点的角度有关的、所存储的测量数据或为该目的专门捕捉的测量数据所创建的，尤其是通过最佳拟合方法所创建的。

15.一种具有存储在机器可读介质上的程序代码的计算机程序产品，该计算机程序产品用于提供、控制和执行根据权利要求9至14中任一项所述的方法，尤其是所述程序在被实施为根据权利要求1至8中任一项所述的施工丈量装置（10）的评估和控制单元的电子数据处理单元上执行时。

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