CN103261838B - 机器人测绘仪和包括自准直目标的用于测绘仪的望远镜的自动自准直的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种作为测绘仪的望远镜的对准的自动自准直的方法，所述望远镜限定了光轴，使得所述光轴垂直于自准直目标的反射表面，特别是镀膜平面反射镜。该方法包括以下步骤：a）将所述望远镜与所述自准直目标对准；b）照明所述望远镜中的十字线；c）将所述望远镜聚焦到无穷远；d）通过设置在所述望远镜或者第二望远镜中的图像获取装置，获取自准直目标和被反射表面反射的被照明十字线（1），或者被照明的十字线；e）确定所述图像中的十字线中心；f）确定图像中十字线中心与所述望远镜的光轴的水平距离（Δpx）和竖直距离（Δpy）；以及g）将十字线中心的水平距离（Δpx）和竖直距离（Δpy）转换为望远镜的当前对准相对于望远镜的自准直对准的水平偏离角（ΔH）和竖直偏离角（ΔV）。

Description

机器人测绘仪和包括自准直目标的用于测绘仪的望远镜的自动自准直的方法

本发明涉及机器人（robotic）测绘仪和用于确定具有反射表面的自准直目标的空间对准或者用于测绘仪的望远镜与该目标的自准直的方法。

已知的是，被称为自准直的方法用于首先确定自准直目标的倾斜，其次确定自准直目标的朝向。术语倾斜通常表示竖直角与期望位置的偏差，而术语朝向表示水平角与期望位置的偏差。

平面反射镜通常被用作自准直目标，所述反射镜被装配到要确定倾斜和朝向的对象上。对象例如可以是要精确地连接到生产厂房中的其它部件的部件。一个示例是机动车车门，其在生产厂房中必须被非常精确地对准以便组装到机动车车身上，从而能够被精确装配，而无需装配线停止。

现有技术的自准直的例子例如可以从专利公报US3161715A、CH512057A或者US5144479A得知。

自准直处理的第二个目的是生产垂直于自准直目标的光学基准线。在此情况下，必须设置用于自准直的望远镜而不是目标自身，使得所述望远镜的光轴精确准确地垂直于所述自准直目标。

迄今为止，这种自准直都是人工进行的。为此目的，望远镜（其构造可以从图1示意地看到）在自准直目标的方向上对准。接着，通过在望远镜的光轴上可移动地设置的聚焦透镜4的位移，望远镜被设定到“无穷远”。

用户接着能够标识被照明装置3经由分束器2照明的十字线1，以及所述十字线在图像平面中的镜像，所述镜像在自准直目标6处反射。在理想情况下，自准直目标6相对于望远镜的光轴垂直地精确对准，这时十字线1与其镜像重合，不必要进行更多测量。

图2示意地示出自准直目标相对于望远镜的光轴没有精确对准的情况。在此，用户看到了十字线1a与其镜像1b之间的偏差，该偏差依赖于自准直目标6的倾斜和朝向并且在图3a中通过示例的方式例示。为了校正这种偏差，用户改变望远镜的水平角和竖直角，直至十字线与其镜像重合，如图3b所示。接着从望远镜的水平角和竖直角确定自准直目标的倾斜和朝向。图2示出了自准直目标的竖直倾斜角是α的情况。 光束5被反射的反射角因此是2xα。为了简化例示，在图2中省去了水平偏差的例示。

因此，为了使得望远镜的光轴垂直地入射在自准直目标上，必须在竖直方向上将望远镜旋转α，或者在竖直方向上将自准直目标旋转α角。望远镜或者自准直目标在水平方向上的类似旋转则具有使得望远镜的光轴垂直于自准直目标的效果。

图3a例示了不完整的十字线1a。十字线1被装配在自准直目标上的反射镜反射而得到十字线1a的镜像1b。如前面段落中描述的望远镜或者自准直目标的调节得到了镜像的位移直至与自准直目标6精确垂直对准的十字线1a与其镜像1b一起产生完整十字线的图像为止，如图3b所例示。

需要一种可以自动进行自准直的望远镜，以及一种自动进行自准直的方法。

根据本发明的望远镜被设置为用于测绘仪。所述望远镜包括：光源；十字线，所述十字线可以被所述光源照明；以及第一分束器。第一分束器设置在所述望远镜的近端，以将从所述光源发射的光束沿着所述望远镜的光轴偏折。在所述望远镜的远端设置有聚焦透镜，其可以沿着所述光轴往复移动。望远镜的朝着目标的端部被指定为望远镜的远端。从目标或者望远镜的目镜离开的端部被在此指定为近端。

另外，在第一分束器和所述可移动聚焦透镜之间设置有第二分束器，所述第二分束器被设计为使从自准直目标反射的光偏折到偏差确定装置，通过该偏差确定装置确定光束与望远镜的光轴的偏差。

由于偏差确定装置，可以有利地能够自动识别发射到自准直目标的光束，具体地，沿着望远镜的光轴发射的光束是否以不平行于或者不沿着光轴的方式反射。通过确定偏差，随即能够确定自准直目标的倾斜和朝向。

在本发明的含义中光束还可以是激光束。如果使用激光束，则可以省略被照明的十字线。

优选地，从自准直目标反射的光束可以被偏折到图像获取装置。可以接着从图像获取装置获取的图像中确定光束与望远镜的光轴的偏差。

有利地，望远镜可以附加地具有用于与外部装置通信的接口。外部装置的示例包括PC、便携式计算机、蜂窝电话、PDA。接口例如可以是有线连接、WLAN连接。蓝牙连接或者红外连接。

优选的是，所述可照明十字线可以被布置在望远镜的光轴上所述第一分束器与所述可移动聚焦透镜之间和/或所述第一分束器与所述第二分束器之间。

另选地，所述可照明十字线可以被布置在所述光源与所述第一分束器之间，并且所述第二十字线可以被布置在所述望远镜的近端与所述第一分束器之间。

优选地，可照明十字线和第二十字线可以不完全实现。在此情况下，可照明十字线可以通过其关于水平轴线和/或竖直轴线的镜像来完成，或者通过第二十字线和/或第二十字线关于其水平轴线和/或竖直轴线的镜像来完成。如果十字线完全可辨别，则用户因而可以辨别望远镜的光轴垂直于自准直目标。

具体地，以上描述的根据本发明的望远镜是测绘仪的一部分，特别是工业测绘经纬仪的一部分或者工业测绘全站仪的一部分。在此情况下，根据一般类型(也就是说，本领域技术人员已知的类型)的测绘仪，可以包括：底座，其具体地可以安装在支架上；上部部分，其按照可绕着旋转轴旋转的方式安装在底座上；以在电机驱动下可绕着枢转轴枢转的方式安装在所述上部部分上的望远镜。另外，可以存在评估和控制单元。

在此情况下，可以经由两个角度仪获取观测单元相对于底座的空间对准，并且另外依赖于测绘仪的开发阶段，第一旋转驱动和第二旋转驱动可以使得上部部分和/或望远镜可驱动并且可对准。另外，利用望远镜还可以确保距离测量功能。

根据本发明，测绘仪现在可以具有自准直功能，该自准直功能在启动之后至少部分地自动进行，并且在此环境中以下更详细描述的方法(即，用于自准直的方法，作为定义光轴的望远镜的对准，光轴垂直于自准直目标的反射表面，特别是镀膜平面反射镜的方式)可以按照被评估和控制单元自动控制的方式进行。

根据本发明的用于自准直的方法包括以下步骤：

a)将所述望远镜与所述自准直目标对准；

b)照明所述望远镜中的十字线；

c)将所述望远镜聚焦到无穷远；

d)通过图像获取装置获取自准直目标和从后者反射的被照明的十字线或者被照明的十字线；

e)确定所述图像中的十字线中心点；

f)确定图像中十字线中心点到所述望远镜的光轴的水平距离和竖直距离；

g)将所述十字线中心点的水平距离和竖直距离转换为水平偏差角和竖直偏差角。

将本方法的环境中实现的全部活动指定为步骤a)、步骤b)等在此情况下不以任 何方式意味着按照必须单独实现的方式进行这些活动。另外，用a)、b)等命名这些步骤不必要求用于进行活动的特定顺序。相反地，在根据本发明的方法的上下文中，被指定为步骤a)、b)等的活动还可以组合和/或集体地进行(也就是说，联合、同时或者部分地具有时间交叠)。另外，根据本发明实现的方法的活动(在此仅仅为了管理原因而被指定为“步骤”)还可以按照与以上排列的不同的顺序进行。纯粹以示例方式，对于本领域人员清楚的是，例如，十字线的照明还可以在密集的、具体来说在进行本发明的整个时间段上进行，或者纯粹以示例方式，还可以在对准望远镜与自准直目标的步骤之前、之后或者期间(或者部分地具有时间交叠)进行望远镜的聚焦。

根据本发明的用于自准直的方法，现在能够自动地检测望远镜的光轴是否垂直于自准直目标。根据图像中十字线到光轴的水平距离和竖直距离，基于望远镜或者包括该望远镜的测绘仪的先前校准，能够确定自准直目标的倾斜和朝向。

有利地，根据本发明的方法可以包括以下附加步骤：

h)将望远镜移动水平偏差角的一半和竖直偏差角的一半以使得望远镜的光轴垂直于自准直目标，

i)测量所述望远镜的水平角和竖直角，

j)从测量到的水平角和竖直角计算所述目标的倾斜角和朝向角。

通过应用这些附加方法步骤，望远镜被对准使得其光轴垂直于自准直目标。

另选地，根据本发明的方法可以包括以下附加步骤：

i)测量所述望远镜的水平角和竖直角，

k)通过将水平偏差角的一半和竖直偏差角的一半与测量到到的望远镜的水平角和竖直角相加来确定目标的倾斜角和朝向角。

因而能够按照简单方式确定自准直目标的倾斜角和朝向角，而不需要移动望远镜。

有利地，在以上提到的一个方法中，光轴可以对应于图像中心点。图像中十字线中心点到望远镜的光轴的水平距离和竖直距离的确定可以从十字线中心点和光轴之间的像素数确定。

有利地，能够按照迭代方式进行从步骤e)开始的步骤直至水平偏差角和竖直偏差角在预定阈值以下为止。

有利地，额外地能够通过望远镜的自动旋转来自动追踪预定搜索模式来进行步骤 a、c)和d)。在此情况下，所述聚焦透镜可以自动地聚焦并且可以通过比较所获取的图像和预定比较图像来识别所述目标。

在此情况下使用的比较图像可以是具有望远镜的测绘仪的视图，诸如如果望远镜的光轴垂直于反射镜或者自准直目标则可从装配在自准直目标上的反射镜辨别的视图。然而，另选地还能够使用其它基准图像作为比较图像，例如，专门为此目的而粘贴地附着在测绘仪上的在望远镜上设置的独特符号或者标记(代码标记)。

有利地，能够按照垂直于望远镜的光轴的方式根据水平偏差角和竖直偏差角来移动目标。因而能够进行自准直目标对望远镜的光轴的精确适应。

具体地，该方法还可以被进行使得具有轴上照相机(OAC)的第二望远镜用作目标，并且在步骤f)中基于以下步骤来确定图像中十字线中心点到第二望远镜的光轴的水平距离和竖直距离。

具体地，该方法还可以被进行使得具有轴上照相机(OAC)的第二望远镜用作目标，并且在步骤f)中基于以下步骤确定图像中十字线中心点到第二望远镜的光轴的水平距离和竖直距离。

具体地，接着还能够将望远镜中的一个移动水平偏差角或者竖直偏差角，或者两个望远镜在每一个情况下都可以移动水平偏差角的一半和竖直偏差角的一半。对于准直处理的控制和相互协调，两个望远镜(或者两个测绘仪)都可以连接到例如外部的、公共控制和监管装置。另选地，两个仪器还可以设计为使得它们可以彼此通信(例如，经由无线电链路)，为了控制自动相互校准处理的目的。在此情况下，该处理可以在没有外部控制和监管装置的情况下自动进行。通过示例，两个仪器中的作为“主仪器”的一个仪器可以进行相互准直处理的自动控制(也就是说，控制两个仪器)并且另一个仪器接着作为“从仪器”可以仅仅进行从在每一个情况下在主仪器的一方所获取的图像导出的控制命令。

因而能够将两个望远镜彼此对准使得它们的光轴或者平行或者甚至精确重合。该处理还可以被称为相互准直。

作为总结，本发明涉及以下发明主题：

A)方法1：

一种用于确定具有反射表面，特别是镀膜平面反射镜的自准直目标与机器人测绘仪的望远镜的空间对准的方法，所述望远镜限定了光轴，其中，所述测绘仪具有：底 座；和以在电机驱动下可绕着旋转轴旋转的方式安装在所述底座上的上部部分，以及其中，所述望远镜以在电机驱动下可绕着枢转轴枢转的方式安装在所述上部部分上，

所述方法包括：

a)将所述望远镜与所述自准直目标对准；

b)照明所述望远镜中的十字线，具体地，其中直接围绕所述十字线的至少一个区域被大致均匀照明；

c)将所述望远镜聚焦到无穷远；

d)通过布置在所述望远镜中的电子图像获取装置来获取在所述反射表面产生的被照明的十字线的镜像；

e)确定在所述镜像中所获取的被照明的十字线的镜像的十字线中心点；

f)确定在所述镜像中所述十字线中心点与预定像素位置，特别是所述光轴的像素位置的水平距离(Δpx)和竖直距离(Δpy)；

g)将所述十字线中心点的水平距离(Δpx)和竖直距离(Δpy)转换为所述望远镜的当前对准与所述望远镜的垂直于所述自准直目标的所述反射表面的对准之间的水平偏差角(ΔH)和竖直偏差角(ΔV)；以及

k)基于所述水平偏差角(ΔH)和所述竖直偏差角(ΔV)来确定所述自准直目标的空间对准。

在此情况下，方法1的发展实质上包括以下特征：

-为了确定自准直目标(作为步骤i2)空间对准，测量水平角(H)和竖直角(V)，并且通过将所述水平偏斜角的一半(ΔH/2)和所述竖直偏斜角的一半(ΔV/2)分别与所测量到的所述望远镜的水平角(H)和竖直角(V)相加来计算所述自准直目标的空间对准，特别是，倾斜角和朝向角。

-在步骤g)之后进行以下步骤

h2)按照使所述光轴垂直于所述自准直目标的方式依赖于所述水平偏差角(ΔH)和所述竖直偏差角(ΔV)在电机驱动下移动所述自准直目标，

i)测量所述望远镜的水平角(H)和竖直角(V)，以及

j)从测量到的水平角(H)和竖直角(V)计算所述自准直目标的倾斜角和朝向角。

-为了确定所述自准直目标的空间对准，实现按照使所述光轴垂直于所述自准直 目标的所述反射表面的方式的自准直作为所述望远镜的对准，

其中，具体地执行以下步骤：

·h)按照使所述光轴垂直于所述自准直目标(6)的方式依赖于所述水平偏差角(ΔH)和所述竖直偏差角(ΔV)在电机驱动下相对于所述底座移动所述望远镜，

·i)测量经自准直的望远镜的水平角(H)和竖直角(V)，以及

·j)从测量到的水平角(H)和竖直角(V)计算所述自准直目标的倾斜角和朝向角。

-对于步骤g)之后的自准直，作为步骤_preh)，将所述望远镜移动所述水平偏差角的一半(ΔH/2)和所述竖直偏差角的一半(ΔV/2)，并且以迭代方式反复执行步骤d)到_preh)直至所述水平偏差角和所述竖直偏差角在预定阈值以下为止。

B)方法2：

一种用于确定第一测绘仪的第一望远镜相对于第二测绘仪的第二望远镜的相互空间对准的方法，所述第一望远镜限定了第一光轴，所述第二望远镜限定了第二光轴，

其中，所述第一测绘仪和所述第二测绘仪均具有底座和以在电机驱动下可绕着旋转轴旋转的方式安装在所述底座上的上部部分，并且所述第一望远镜和所述第二望远镜分别以在电机驱动下可绕着枢转轴枢转的方式安装在在相应的上部部分上，

该方法包括以下步骤：

a)按照使得所述第一望远镜和所述第二望远镜相互彼此面对的方式粗略对准所述第一望远镜和所述第二望远镜；

b)照明所述第一望远镜中的十字线，特别是，大致均匀地照明包围所述十字线(1)的区域；

c)将所述第一望远镜和所述第二望远镜聚焦到无穷远；

d)通过设置在所述第二望远镜中的电子图像获取装置来获取被照明的十字线(1)；

e)确定所获取的十字线(1)在图像中的十字线中心点；

f)确定在所述图像中所述十字线中心点与预定像素位置，特别是所述第二光轴的像素位置的水平距离(Δpx)和竖直距离(Δpy)；

g)将所述十字线中心点的所述水平距离(Δpx)和所述竖直距离(Δpy)转换为从所述第一望远镜和所述第二望远镜相对于彼此的当前相互对准到所述第一望远镜 和所述第二望远镜按照使所述第一光轴和所述第二光轴彼此同轴的方式的相互对准的水平偏差角(ΔH)和竖直偏差角(ΔV)；以及

k)基于所述水平偏差角(ΔH)和所述竖直偏差角(ΔV)来确定所述第一望远镜和所述第二望远镜之间相对于彼此的相互空间对准。

在此情况下，方法2的发展实质上包括以下特征：

-为了确定所述相互空间对准，实现按照使所述第一光轴和所述第二光轴相对于彼此同轴的方式的所述第一望远镜相对于所述第二望远镜的对准作为所述第一望远镜与所述第二望远镜的对准，

其中，具体地执行以下步骤：

h)按照使所述第一光轴和所述第二光轴彼此同轴的方式依赖于所述水平偏差角(ΔH)和所述竖直偏差角(ΔV)在电机驱动下相对于所述底座来移动所述第一望远镜和所述第二望远镜，特别是其中，所述第一望远镜和所述第二望远镜二者在电机驱动下分别移动了所述水平偏差角的一半(ΔH/2)和所述竖直偏差角的一半(ΔV/2)，

i)测量所述第一望远镜的水平角(H)和竖直角(V)以及所述第二望远镜的水平角(H)和竖直角(V)，以及

j)从测量到的所述水平角(H)和所述竖直角(V)计算所述相互空间对准。

C)装置1：

一种在方法1(参见A))的环境下使用的机器人测绘仪，特别是工业测绘经纬仪或者工业测绘全站仪，所述测绘仪包括：

·底座，

·上部部分，其以在电机驱动下可绕着旋转轴旋转的方式安装在所述底座上，

·望远镜，其以在电机驱动下可绕着枢转轴枢转的方式安装在所述上部部分上，所述望远镜限定了光轴，以及

·评估和控制单元，

其中，所述望远镜包括：

·光源；

·十字线，其能够被所述光源照明，特别是其中，所述光源和所述十字线被实现和相对布置成使得直接包围所述十字线的至少一个区域被大致均匀地照明，

·第一分束器，其设置在所述望远镜的近端，以将所述光源发射的光束沿着所 述望远镜的光轴偏折，

·聚焦透镜，其可沿着所述光轴往复移动，

其中，根据本发明，

·所述望远镜包括用于从被照明的十字线的镜像获取图像的同轴图像获取装置，所述镜像是在自准直目标的反射表面处形成的，并且

·所述评估和控制单元被设计为用于自动控制或者执行从方法1(参见A))的从步骤b)开始的步骤，使得所述测绘仪具有在启动之后至少部分地自动进行的准直目标对准确定或自准直功能。

在此情况下，装置1的发展实质上包括以下特征：

-在所述第一分束器与可移动的所述聚焦透镜之间设置有用于将所述图像获取装置的副光束路径耦合到所述望远镜的主光束路径中的第二分束器。

-可照明的所述十字线被布置在所述主光束路径中所述第一分束器与可移动的所述聚焦透镜之间和/或所述第一分束器与所述第二分束器之间。

-可照明的所述十字线被布置在所述光源与所述第一分束器之间，并且第二十字线被布置在所述主光束路径中所述望远镜的近端与所述第一分束器之间。

-可照明的所述十字线和所述第二十字线，如果有的话，被非对称地实现，特别是按照以下方式

·使得所述图像中的可照明的所述十字线(1)与其关于水平轴和/或竖直轴的镜像彼此互补以形成对称的整体布置

或者

·使得所述图像中的所述第二十字线(9)与可照明的所述十字线(1)的关于水平轴和/或竖直轴的镜像彼此互补以形成对称的整体布置。

D)装置2：

一种在方法2的环境下使用的测绘系统，所述测绘系统包括第一机器人测绘仪和第二机器人测绘仪，其中，所述第一机器人测绘仪包括：

·底座，

·上部部分，其以在电机驱动下可绕着旋转轴旋转的方式安装在所述底座上，以及

·第一望远镜，其以在电机驱动下可绕着枢转轴枢转的方式安装在所述上部部 分上，所述第一望远镜限定了第一光轴，所述第一望远镜包括：

·光源；

·十字线，其能够被所述光源照明，特别是其中，所述光源和所述十字线被实现和相对布置成使得直接包围所述十字线的至少一个区域被大致均匀地照明，

·第一分束器，其设置在所述望远镜的近端，以将所述光源发射的光束沿着所述望远镜的光轴偏折，

·聚焦透镜，其可沿着所述光轴往复移动，

并且其中，所述第二机器人测绘仪包括：

·底座，

·上部部分，其以在电机驱动下可绕着旋转轴旋转的方式安装在所述底座上，以及

·第二望远镜，其以在电机驱动下可绕着枢转轴枢转的方式安装在所述上部部分上，所述第二望远镜限定了第二光轴，所述第二望远镜包括：

·聚焦透镜，其可沿着所述光轴往复移动，

其中，本发明提供了

·同轴图像获取装置，其用于获取被照明的十字线的图像，所述同轴图像获取装置被设置在所述第二望远镜中，以及

·评估和控制单元，其用于自动控制或者执行方法2的从步骤b)开始的步骤，使得所述测绘系统具有在启动之后至少部分地自动进行的用于确定所述第一望远镜和所述第二望远镜相对于彼此的相互空间对准或者用于所述第一望远镜和所述第二望远镜的相对于彼此的相互自准直的功能。

本发明的进一步特征和优点将从以下描述变得明显，其应与所附的附图一起阅读，其中：

图1示意地示出根据现有技术的用于自准直的望远镜的截面图；

图2示意地示出在自准直目标未对准的情况下来自图1的望远镜的截面图；

图3a-图3b是分裂十字线的图，其中自准直目标未对准，并且分别垂直于望远镜的光轴；

图4示意地示出根据本发明一个实施方式的用于自准直的望远镜的截面图；

图5示出根据本发明一个实施方式的自准直处理的流程图；

图6a-图6d是在图5和图10的自准直处理期间十字线的不同视图；

图7示出根据本发明另一个实施方式的自准直处理的流程图；

图8a-图8e示意地示出根据本发明另一个实施方式的用于自准直的望远镜的截面图以及十字线的示例性构造和来自照相机的视图和通过目镜观看时的视图。

图9a-图9b示意地示出根据本发明在每一种情况下要被平行对准的两个望远镜的截面图。

图10示出用于平行对准两个望远镜的处理的流程图。

下面将参照图4到图10描述本发明的优选实施方式。

图4示出根据本发明的一个实施方式的望远镜，该望远镜用于测绘仪(在下文称为仪器)上。在望远镜的近端(在附图中布置在右侧)，分束器2位于望远镜的光轴上。分束器用于使布置在分束器2附近的照明装置3的光束在望远镜的远端的方向上沿着望远镜的光轴进行偏折。

可以按照各种方式来实现照明装置3。通过示例方式，其可以被以插塞方案的形式以可拆除的方式装配到望远镜中，但是也可以固定地集成到望远镜中。

经分束器2沿着望远镜的光轴偏折的光束用于照明布置在分束器2和第二分束器7之间的十字线1。可沿着光轴位移的聚焦透镜4位于第二分束器7的下游。通过聚焦透镜4移位到“无穷远位置”，与装配在望远镜远端的会聚透镜10组合，光束5被平行于光轴精确地对准并且入射在自准直目标6上或者入射在自准直目标6上安装的反射镜6上。

光束5被从反射镜6反射以再次被会聚透镜10和聚焦透镜4聚焦，并且被第二分束器7转移到轴上照相机(OAC)的图像传感器8上(诸如CMOS、CCD或者其它)，因而在图像传感器8上投影了十字线1的图像。图像数据通过接口(未例示)被发送到控制单元。通过示例，集成或者外部计算机、PDA或者其它适当装置可以被用作控制单元。图像还可以在控制单元的显示器或者屏幕上显示。

在此情况下，望远镜被设计为用于以上已经描述的根据本发明的方法的环境中(即，用于自准直的方法，因为按此方式光轴垂直于自准直目标的反射表面，具体地，镀膜平面反射镜)。

图5中的流程图例示了根据本发明的自准直处理，其涉及确定与自准直目标6 的反射表面垂直的基准线。

首先，在步骤100(下文称为S100，下同)，望远镜被用户大致对准自准直目标6。所使用的自准直目标6具体地是装配在期望确定其准直或者期望与望远镜对准的对象上的平面反射镜6。

接着，在S110，望远镜被设定到无穷远。结果，十字线1的镜像变得可见，在通过望远镜观看时对用户可见，或者可以在控制单元的显示器或者屏幕上可见，如从图6a明显看到的。

接着，在S120，十字线的镜像的中心点1c的像素坐标(px，py)被确定，从图6b明显可以看到。为此目的，可以有诸如，例如，通过计算十字线的重心、与存储的图案的图像比较(图案识别)或者其它的图像处理的方法。

接着，S130接着涉及确定像素偏移量Δpx和Δpy，也就是说，光轴的像素位置11和十字线1的中心点1c之间的以像素计算的距离，如从图6c明显可以看到。从望远镜的预先校准已知光轴的像素位置11。优选的是，望远镜被设计为使得光轴的像素位置11精确地位于传感器的中心或者图像的中心。

在S140中，像素偏移量被转换为水平差ΔH和竖直差ΔV。具体地，作为望远镜的预先校准的结果，还额外地知道了变换函数，其能够用于指派特定像素距离到特定角度差。结果，在S140之后，知道了望远镜的光轴相对于自准直目标的位置。

确定了水平角度差ΔH和竖直角度差ΔV以后，在S150，通过水平角度差ΔH和竖直角度差ΔV的一半，也就是说，ΔH/2和ΔV/2来调节望远镜，作为其结果，望远镜精确地垂直于自准直目标6。从图6d明显看到，在图像中，反射的十字线1的中心点1c与光轴11的位置重合。光轴现在形成了基准线，其精确地垂直于自准直目标6的反射表面。如果不是这种情况，则还可以将通过校准而确定的偏移量考虑在内并且用于评估。

根据本实施方式的一个变型例，步骤120到150还可以被重复进行直至所确定的角度差ΔH和ΔV小于预定阈值为止，作为其结果，在确定基准线时能够实现更高的准确度(也就是说，与“理想”自准直对准的更小残留偏差)。如果查明例如在第一次进行步骤120到150之后，例如，由于不适当的照相机校准(例如，对于变形或者将像素位置转换为移动距离)或者移动了ΔH/2和ΔV/2之后的定位不准确性，十字线中心点1c在图像中没有充分精确地对应于光轴(或者两个十字线仍不充分精确地对 应)，在进一步的迭代过程中，所述步骤120到150可以在每一个情况下被重复直至获得与“理想”自准直对准的期望/预定义的残留偏差为止。这构成了本发明的迭代方法。

如果期望确定自准直目标6的倾斜和朝向而不是将基准线与自准直目标6垂直地对准，则在S170中，从在S160测量到的望远镜的水平角H和竖直角V确定自准直目标6的倾斜和朝向。在此情况下，倾斜角对应于竖直角V，朝向角对应于水平角H。如果自准直目标沿着对象移动，则可以从绝对倾斜值导出相对倾斜变化，并且这些变化可以用于例如检查对象的平面度。

作为对参照图5描述的过程的替代，还可以基于图7例示的过程来确定倾斜和朝向。该过程与图5中的步骤100到160相同，尽管省去了S150，也就是说，不必移动望远镜。相反，在S180，将角度差的一半ΔH/2和ΔV/2加到在S160测量到的水平角H和竖直角V，由此来确定自准直目标6的倾斜和朝向。

自动提供了很多优点，由于可以比通过现有技术提到的方法更迅速进行自准直处理。

另外，自准直处理可以被定期地自动重复，从而得到了相对于监测生产序列的简化。对于这种应用，使用已知方法在人员方面成本过高并且过于耗时。

由于本方法是自动的，所以消除了从人类用户导致的误差源，诸如，不正确地读取测量值等。

如果仅仅必须确定自准直目标的倾斜和朝向，就可以省略组合十字线1及其镜像1或者组合十字线的镜像1和光轴的位置11的步骤。这得到了速度的提升。

另外，可以在对人类有害因此不能够进入或者仅仅被受限制进入的环境中进行自准直处理。

如果所使用的望远镜设置了用于调节望远镜的移动的电机，并且如果聚焦透镜可以借助电机而移动，则还可以按照自动方式来执行原本必须人工进行的步骤，如下表所示。

表1给出了可能的不同仪器的自动程度。全部仪器具有相对于光轴同轴设置的照相机(称为轴上照相机，OAC)以及上述用于自动自准直的装置。

[表1]

在此情况下，如果知道仪器和自准直目标6的近似位置，则S100可以自动执行。然而，只要电机驱动的望远镜追踪到预定义的搜索模式并且通过图像分析识别出自准直目标6，也可以自动地执行S100。通过示例，从装配到自准直目标上的反射镜反射的望远镜的镜像可以用作比较图像。

在步骤100、110和150被人工执行的情况下，根据优选变型例，能够通过控制单元的显示器或者屏幕上的箭头，预定义移动的相应方向。在此情况下，还能够显示代表所需移动程度的数字值。

图8a示出了可以用于根据本发明的自准直的望远镜的进一步实施方式。以下描述中仅仅描述了与图4的望远镜的差别，以避免重复。

可照明的十字线1设置在照明装置3与分束器2之间而不是设置在光轴上。因此，十字线1被直接照明并且被照明的十字线1的光束5沿着光轴偏折。被第二分束器7偏折的反射光束按照与图4的实施方式相同方式被图像传感器8检测到，并且按照相应方式被进一步处理。

通过与第一十字线1(其可以例如根据图8c的变形形式成型)对应协调的第二十字线9(设置在光轴上在望远镜的近端或者目镜与第一分束器2之间，并且可以例 如根据从图8b的变型例成型)，可以按照对于用户而言方便或者有改进的方式进行自动自准直的人工自准直处理或者视觉检查。

被照明的第一十字线1因此在照相机传感器8的帮助下不能被直接看到或者拍摄到，而是其在准直反射镜处反射的镜像被照相机传感器8拍摄或者可以通过目镜看到。用户直接通过目镜看到未被照明的第二十字线9，并且由于未被照明，在通过目镜观看期间看不到所述第二十字线9的镜像。第二十字线9自身或者其镜像(后者由于没有照明)均没有被照相机传感器8拍摄到(在这个方面以说明方式，图8d示出了从相机传感器的视角看到的图像，之上仅仅出现了第一十字线1的镜像，而第二十字线9实际上没有出现，其镜像也没有出现)。

根据图8a的设置的优点是：

-对于第一十字线1(例如，在其形式上进行优化以实现被照相机传感器8拍摄的其照相机图像可以通过图像处理而被尽量简单和精确地评估)并且

-对于第二十字线2(例如，在其形式上对于目标被用户视觉观看而优化)

可以选择不同的十字线形式。另外，这两个十字线可以有利地彼此协调，使得按照以下方式它们彼此互补：在用户方面可以通过目镜看到的第一十字线1的镜像和可以被直接看到的第二十字线9在被联合观看时，使得望远镜的自准直对准基于用户的视觉检查(并且还可以人工调节)能够尽量简单地进行并且同时尽量精确地进行。

在此情况下，图8e示出了在望远镜的自准直对准中在用户方面通过目镜看到的第一十字线1的镜像和第二十字线9的叠加。

从图9a/图9b和图10明显可以看出以立体摄影测量的形式来应用根据本发明的自动自准直处理的进一步可能性。该方法用于从例如从不同的立足点拍摄的两个测量图像来确定对象的位置和精确形式。在此情况下，能够确定图像是从哪个视角(朝向)拍摄的。在此情况下，两个仪器彼此对准，使得它们的望远镜的光轴重合，结果，可以确定两个仪器的对准。

如从图9a明显可见，为此目的，望远镜20、望远镜30的远端被彼此近似对准。这对应于图10中的S200。与在先前描述的实施方式中相同，第一望远镜20至少包括照明装置3、分束器2、可照明十字线1、可位移聚焦透镜4和会聚透镜10。

第二望远镜30类似地包括会聚透镜10和可位移聚焦透镜4。另外，第二望远镜30中设置有第二分束器7，所述第二分束器被设计为将从外部入射的光束沿着第二望 远镜30的光轴偏折到轴上照相机8的图像传感器。在此情况下，分束器7和图像传感器的布置对应于图4所示的望远镜的布置。十字线15位于第二望远镜30的第二分束器7与其近端之间。作为对此处例示的两个望远镜20和30的最小开发阶段的替代，还能够在每一个情况下使用完全开发的两个望远镜，例如，在根据图4或者根据图8的每一个情况下。

在将两个望远镜20和30的聚焦透镜4设定到无穷远(图10中的S210)之后，第一望远镜发射的光束5被第二望远镜的会聚透镜10聚焦并且经由第二分束器7偏折到图像传感器8。步骤220到240的随后处理对应于参照图5和图7描述的步骤120到140。

在接下来的将两个望远镜20和30平行对准的步骤中，通过计算出的角度差ΔH和ΔV来调节两个望远镜中的一个，或者通过角度差的一半ΔH/2和ΔV/2来调节两个望远镜20和30。通过这个步骤，两个光轴可以彼此平行对准。

如果两个望远镜之间的距离已知或者如果被测量到，则例如通过在下文更详细描述的过程使两个光轴叠合。两个望远镜均被人工地或者以自动方式聚焦在望远镜之间距离的一半d/2(在这个方面，参见图9b的示例性例示，其与图9a例示的不同之处仅仅在于两个望远镜的聚焦位置)。因此，光束不再平行而是聚焦到距离一半处的物平面。两个十字线被叠加在物平面，并且接着可以通过图像处理计算出水平偏移量和竖直偏移量。像素偏移量被转换为角度差(ΔH和ΔV)，并且在每一个情况下通过水平角度差和竖直角度差的一半(ΔH/2和ΔV/2)来调节两个望远镜。因而使两个光轴对应。为了增加精度，处理还可以接着迭代进行，类似于如先前详细描述的在望远镜相对于反射镜的自准直期间的迭代过程。

在对准两个望远镜20、30的过程中，所获取的图像与图6a到图6d中例示的图像相同。

以下的示例性实施方式的修改同样也是可能的。除了被照明的十字线和对应的光束，根据本发明，还可以使用准直激光束，其平行于望远镜的光轴发射或者理想地沿着望远镜的光轴发射。激光束被从自准直目标反射。基于反射激光束相对应的光轴或者相对于发射的激光束的位置差，接着确定自准直目标的倾斜和朝向。

如果发射的激光束不平行于望远镜的光轴或者不与其重合，则必须通过之前的校准来确定偏差并且在确定角度差时将其考虑在内。

基于目前优选示例性实施方式描述了本发明，但是应指出的是保护范围仅仅由所附的权利要求确定。

应再次明确指出的是根据本发明的方法的活动在附图和权利要求中被指定为步骤S100到S250和步骤a)、b)等不以任何方式命令或者意味着这些活动按照必须被单独实现的方式进行。另外，用S100，S110，S120，...，S200，S210等和a)，b)，c)等命名步骤不必要求用于进行活动的特定顺序。相反，在根据本发明的方法的上下文中，被指定为步骤的活动还可以组合和/或集体地进行(也就是说，联合、同时或者部分地具有时间交叠)。另外，根据本发明实现的方法的活动(在此仅仅为了管理原因而被指定为“步骤”)还可以按照与以上排列的不同的顺序进行。例如，本领域技术人员可以想到的是能够例如实现在进行将望远镜与自准直目标对准的步骤之前、之后或者期间(也就是说与其联合)将望远镜的聚焦元件设定到无穷远(或者部分地时间交叠)。

然而，不用说这些例示的附图仅仅示意性地例示了可能示例性实施方式。不同方案可以类似地彼此组合以及来自相关技术的方法组合。

Claims (21)

1.一种用于确定具有反射表面的自准直目标(6)与机器人测绘仪的望远镜的空间对准的方法，所述望远镜限定了光轴，其中，所述测绘仪具有底座和以在电机驱动下能够绕着旋转轴旋转的方式安装在所述底座上的上部部分，并且其中，所述望远镜以在电机驱动下能够绕着枢转轴枢转的方式安装在所述上部部分上，

该方法包括以下步骤：

·a)将所述望远镜与所述自准直目标(6)对准；

·b)照明所述望远镜中的十字线(1)；

·c)将所述望远镜聚焦到无穷远；

·d)通过设置在所述望远镜中的电子图像获取装置获取在所述反射表面产生的被照明的十字线(1)的镜像；

·e)确定在所获取的被照明的十字线(1)的镜像中所述镜像的十字线中心点(1c)；

·f)确定在所述镜像中所述十字线中心点(1c)与预定像素位置(11)的水平距离(Δpx)和竖直距离(Δpy)；以及

·g)将所述十字线中心点(1c)的水平距离(Δpx)和竖直距离(Δpy)转换为所述望远镜的当前对准相对于所述望远镜的垂直于所述自准直目标(6)的所述反射表面的对准之间的水平偏差角(ΔH)和竖直偏差角(ΔV)；

其中，为了确定所述自准直目标(6)的空间对准，实现按照使所述光轴垂直于所述自准直目标(6)的所述反射表面的方式的自准直作为所述望远镜的对准，

其中，具体地执行以下步骤：

·h)按照使所述光轴垂直于所述自准直目标(6)的方式依赖于所述水平偏差角(ΔH)和所述竖直偏差角(ΔV)在电机驱动下相对于所述底座移动所述望远镜，

·i)测量经自准直的望远镜的水平角(H)和竖直角(V)，以及

·j)根据测量到的水平角(H)和竖直角(V)计算所述自准直目标(6)的倾斜角和朝向角。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，对于步骤g)之后的自准直，作为步骤_preh)，将所述望远镜移动所述水平偏差角的一半(ΔH/2)和所述竖直偏差角的一半(ΔV/2)，并且以迭代方式反复执行步骤d)到_preh)直至所述水平偏差角和所述竖直偏差角在预定阈值以下为止。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述自准直目标(6)是镀膜目标反射镜。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在照明所述望远镜中的所述十字线(1)的步骤b)中，直接围绕所述十字线的至少一个区域被均匀地照明。

5.根据权利要求1所述的方法，包括确定在所述镜像中所述十字线中心点(1c)与所述光轴的像素位置的水平距离(Δpx)和竖直距离(Δpy)。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述预定像素位置(11)对应于镜像中心点，和/或根据所述镜像中的所述预定像素位置(11)确定所述十字线中心点(1c)的所述水平距离(Δpx)和所述竖直距离(Δpy)是根据所述十字线中心点(1c)与所述光轴的像素位置(11)之间的像素数确定的。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过所述望远镜的自动旋转而自动追踪预定搜索模式来实现步骤a)、步骤c)和步骤d)，其中，聚焦透镜(4)被自动聚焦在无穷远或者被聚焦并且通过将所获取的镜像与预定比较图像进行比较来识别所述自准直目标(6)。

8.一种用于确定第一测绘仪的第一望远镜相对于第二测绘仪的第二望远镜的相互空间对准的方法，所述第一望远镜限定了第一光轴，所述第二望远镜限定了第二光轴，

其中，所述第一测绘仪和所述第二测绘仪均具有底座和以在电机驱动下能够绕着旋转轴旋转的方式安装在所述底座上的上部部分，并且所述第一望远镜和所述第二望远镜分别以在电机驱动下能够绕着枢转轴枢转的方式安装在在相应的上部部分上，

该方法包括以下步骤：

·a)按照使得所述第一望远镜和所述第二望远镜相互彼此面对的方式粗略对准所述第一望远镜和所述第二望远镜；

·b)照明所述第一望远镜中的十字线(1)；

·c)将所述第一望远镜和所述第二望远镜聚焦到无穷远；

·d)通过设置在所述第二望远镜中的电子图像获取装置来获取被照明的十字线(1)；

·e)确定所获取的十字线(1)在图像中的十字线中心点(1c)；

·f)确定在所述图像中所述十字线中心点(1c)与预定像素位置(11)的水平距离(Δpx)和竖直距离(Δpy)；

·g)将所述十字线中心点(1c)的所述水平距离(Δpx)和所述竖直距离(Δpy)转换为从所述第一望远镜和所述第二望远镜相对于彼此的当前相互对准到所述第一望远镜和所述第二望远镜按照使所述第一光轴和所述第二光轴彼此同轴的方式的相互对准的水平偏差角(ΔH)和竖直偏差角(ΔV)；以及

·k)基于所述水平偏差角(ΔH)和所述竖直偏差角(ΔV)来确定所述第一望远镜和所述第二望远镜之间相对于彼此的相互空间对准。

9.根据权利要求8所述的方法，其中在照明所述第一望远镜中的所述十字线(1)的步骤b)中，均匀地照明包围所述十字线(1)的区域。

10.根据权利要求8所述的方法中，包括确定在所述图像中所述十字线中心点(1c)与所述第二光轴的像素位置的水平距离(Δpx)和竖直距离(Δpy)。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

为了确定所述相互空间对准，实现按照使所述第一光轴和所述第二光轴相对于彼此同轴的方式的所述第一望远镜相对于所述第二望远镜的自准直作为所述第一望远镜与所述第二望远镜的对准，

其中，具体地执行以下步骤：

·h)按照使所述第一光轴和所述第二光轴彼此同轴的方式依赖于所述水平偏差角(ΔH)和所述竖直偏差角(ΔV)在电机驱动下相对于所述底座来移动所述第一望远镜和所述第二望远镜，

·i)测量所述第一望远镜的水平角(H)和竖直角(V)以及所述第二望远镜的水平角(H)和竖直角(V)，以及

·j)从测量到的所述水平角(H)和所述竖直角(V)计算所述相互空间对准。

12.一种在根据权利要求1或2所述的方法的环境下使用的机器人测绘仪，所述测绘仪包括：

·底座，

·上部部分，其以在电机驱动下能够绕着旋转轴旋转的方式安装在所述底座上，

·望远镜，其以在电机驱动下能够绕着枢转轴枢转的方式安装在所述上部部分上，所述望远镜限定了光轴，以及

·评估和控制单元，

其中，所述望远镜包括：

·光源(3)；

·十字线(1)，其能够被所述光源(3)照明，

·第一分束器(2)，其设置在所述望远镜的近端，以将所述光源(3)发射的光束沿着所述望远镜的光轴偏折，

·聚焦透镜(4)，其能够沿着所述光轴往复移动，

所述测绘仪的特征在于，

·所述望远镜包括用于从被照明的十字线(1)的镜像获取图像的同轴图像获取装置(8)，所述镜像是在自准直目标(6)的反射表面处形成的，并且

·所述评估和控制单元被设计为用于自动控制或者执行从权利要求1或2所述的方法的从步骤b)开始的步骤，使得所述测绘仪具有在启动之后至少部分地自动进行的准直目标对准确定或自准直功能。

13.根据权利要求12所述的测绘仪，其中所述测绘仪是工业测绘经纬仪或者工业测绘全站仪。

14.根据权利要求12所述的测绘仪，其中所述光源(3)和所述十字线(1)被实现和相对布置成使得直接包围所述十字线(1)的至少一个区域被均匀地照明。

15.根据权利要求12所述的测绘仪，其中，在所述第一分束器(2)与能够移动的所述聚焦透镜(4)之间设置有用于将所述图像获取装置(8)的副光束路径耦合到所述望远镜的主光束路径中的第二分束器(7)。

16.根据权利要求15所述的测绘仪，其中，可照明的所述十字线被布置在所述主光束路径中所述第一分束器(2)与能够移动的所述聚焦透镜(4)之间或所述第一分束器(2)与所述第二分束器(7)之间。

17.根据权利要求12所述的测绘仪，其中，可照明的所述十字线(1)被布置在所述光源(3)与所述第一分束器(2)之间，并且第二十字线(9)被布置在主光束路径中所述望远镜的近端与所述第一分束器(2)之间。

18.根据权利要求17所述的测绘仪，其中可照明的所述十字线(1)和所述第二十字线(9)被非对称地实现。

19.根据权利要求17所述的测绘仪，其中按照以下方式非对称地实现可照明的所述十字线(1)和所述第二十字线(9)，使得所述图像中的所述第二十字线(9)与可照明的所述十字线(1)的关于水平轴和/或竖直轴的镜像彼此互补以形成对称的整体布置。

20.一种在根据权利要求8所述的方法的环境下使用的测绘系统，所述测绘系统包括第一机器人测绘仪和第二机器人测绘仪，其中，所述第一机器人测绘仪包括：

·底座，

·上部部分，其以在电机驱动下能够绕着旋转轴旋转的方式安装在所述底座上，以及

·第一望远镜，其以在电机驱动下能够绕着枢转轴枢转的方式安装在所述上部部分上，所述第一望远镜限定了第一光轴，所述第一望远镜包括：

·光源(3)；

·十字线(1)，其能够被所述光源(3)照明，

·第一分束器(2)，其设置在所述望远镜的近端，以将所述光源(3)发射的光束沿着所述望远镜的光轴偏折，

·聚焦透镜(4)，其能够沿着所述光轴往复移动，

并且其中，所述第二机器人测绘仪包括：

·底座，

·上部部分，其以在电机驱动下能够绕着旋转轴旋转的方式安装在所述底座上，以及

·第二望远镜，其以在电机驱动下能够绕着枢转轴枢转的方式安装在所述上部部分上，所述第二望远镜限定了第二光轴，所述第二望远镜包括：

·聚焦透镜(4)，其能够沿着所述光轴往复移动，

所述测绘系统的特征在于还包括：

·同轴图像获取装置(8)，其用于获取被照明的十字线(1)的图像，所述同轴图像获取装置被设置在所述第二望远镜中，以及

·评估和控制单元，其用于自动控制或者执行根据权利要求5或6所述的方法的从步骤b)开始的步骤，使得所述测绘系统具有在启动之后至少部分地自动进行的用于确定所述第一望远镜和所述第二望远镜相对于彼此的相互空间对准或者用于所述第一望远镜和所述第二望远镜的相对于彼此的相互自准直的功能。

21.根据权利要求20所述的测绘系统，其中所述光源(3)和所述十字线(1)被实现和相对布置成使得直接包围所述十字线(1)的至少一个区域被均匀地照明。