CN104792318A - 用于确定3d测量头的位置变化的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于确定3D测量头的位置变化的设备，该设备包括：3D测量头；至少一个与3D测量头连接的传感器装置，用以检测相应的依赖于位置的测量量；以及评估装置，用以由至少一个所检测到的测量量来确定3D测量头相对于起始位置到终点位置上的位置变化；其中，位置变化包括在空间中的移动和在空间中的转动。此外，本发明还涉及相应的方法。

Description

用于确定3D测量头的位置变化的设备和方法
技术领域
本发明涉及以用于确定3D测量头的位置变化的设备和方法。
背景技术
为了用3D测量头来记录对象的不同的图像，根据现有技术，迄今使用到三种不同的方法。第一种，可以将记号或几何体(例如球体)施加到待测量的对象上，这些记号或几何体基于它们相互间的位置或通过在不同的图像上的明确的编码来进行重新识别，并且随后相互间进行记录。第二种，可以使用定位系统(例如，机械臂、3D坐标测量仪)，这些定位系统可以准确确定测量头在空间中的位置。第三种，可以仅使用软件算法(例如ICP)作为通用办法，这些软件算法尝试着将不同的测量的点云(Punktewolke)如下这样地进行叠加，即，在一致的坐标系中生成点云。但是，该最后提及的方法有如下的大缺陷，该方法仅能够在具有明显特征的物体的情况下起作用。因此，原则上，不能对球体进行记录。因此，迄今所公知的在数学上的取向的方法仅在非常有限的对象范围内可靠地起作用。
发明内容
本发明的任务是，提供不具有提及的缺点的设备和方法。
该任务通过根据权利要求1所述的根据本发明的设备解决。
根据本发明的用于确定3D测量头的位置变化的设备包括：3D测量头；至少一个与3D测量头连接的传感器装置，用以检测相应的依赖于位置的测量量；以及评估装置，用以由至少一个所检测到的测量量确定3D测量头相对于起始位置到终点位置上的位置变化；其中，位置变化包括在空间中的移动和在空间中的转动。
以该方式可以实现的是，例如，借助由初始位置的坐标系的传感器数据来计算测量头在新位置上的内部坐标系。在此，新的坐标系通过自初始坐标系起的任意的移动和转动而产生。
可以如下地对根据本发明的设备进行改进，即，此外，还可以构造有用于确定到另外的终点位置上的位置变化的评估装置。因此，例如可以彼此关联地从不同的视角得到多张图像。
另一改进方案在于，此外，还可以构造有用于由起始位置的内部坐标系来计算每个终点位置的内部坐标系的评估装置。以该方式，利用起始位置的内部坐标系来记录任一终点位置的每个内部坐标系。
根据另一改进方案，每个传感器装置都具有一个传感器或多个传感器。这可以提高测量的精度。
前面提及的改进方案的另一改进方案在于，可以从如下组中选出每个传感器，该组包括磁力计、WLAN传感器、无线电波接收器、陀螺仪、蓝牙传感器、加速度传感器和转动速率传感器。因此，可以使用并且组合不同的物理量来确定位置变化。
根据另一改进方案，根据本发明的设备或该设备的改进方案此外还可以包括用于生成相应的依赖于位置的测量量的器件。这具有如下的优点，即，例如可以在方向和量上控制如下的测量量，在测量头位置变化的情况下检测到所述测量量的变化。例如，当传感器是磁场传感器时，可以设置有用于生成不均匀的磁场的电线圈。
另一改进方案在于，3D测量头可以是触觉测量头、光学测量头、光截面传感器或者激光扫描仪。
此外，上文提及的任务还通过根据权利要求8所述的根据本发明的方法解决。
根据本发明的用于确定3D测量头的位置变化的方法包括如下步骤：使3D测量头从起始位置运动到终点位置；利用相应的紧固在3D测量头上的传感器装置检测至少一个依赖于位置的测量量；并且由至少一个所检测到的依赖于位置的测量量来确定3D测量头相对于起始位置到终点位置上的位置变化；其中，对位置变化的确定包括对在空间中的移动的确定和对在空间中的转动的确定。
根据本发明的方法的和该方法下面将描述的改进方案的优点相应于根据本发明的设备的和该设备的改进方案的那些优点。
可以如下地对根据本发明的方法进行改进，即，作为附加步骤地首先执行生成依赖于位置的测量量。例如可以生成磁场，于是作为传感器的磁力计可以检测到该磁场。
可以如下地对根据本发明的方法或者提及的改进方案进行改进，即，该方法此外还包括，使3D测量头运动到另外的终点位置上并确定在另外的终点位置上的位置变化。
另一改进方案在于，可以设置有如下的进一步的步骤：由起始位置的内部坐标系计算每任一终点位置的内部坐标系。
根据另一改进方案，在空间中的位置变化可以参考起始位置或终点位置的内部坐标系的三条线性不相关的移动轴线来确定，并且在空间中的转动可以参考起始位置或终点位置的内部坐标系的三条线性不相关的转动轴线来确定，其中，三条移动轴线优选与三条转动轴线相同。
前文提及的改进方案的另一改进在于，三条线性不相关的位置轴线相互垂直，并且/或者其中，三条线性不相关的转动轴线相互垂直。
根据另一改进方案，方法包括如下的进一步的步骤：在球坐标系(Weltkoordinatensystem)中记录任一终点位置的内部坐标系。
前文提及的改进方案的另一改进在于，利用3D测量头测量的点在球坐标系中示出。
这些改进方案可以彼此独立地使用或者以合适的方式彼此组合。
附图说明
图1示意性地示出根据本发明的设备的实施方式。
具体实施方式
图1示意性地示出了用于确定3D测量头的位置变化的根据本发明的设备。
在该实施方式中，设备100包括：3D测量头；至少一个与3D测量头连接的传感器120，用以检测依赖于位置的测量量；以及评估装置130，用以由至少一个所检测到的测量量来确定3D测量头相对于起始位置到终点位置上的位置变化；其中，位置变化包括在空间中的移动和在空间中的转动。在该实施方式中，3D测量头例如设置为激光扫描仪。传感器120可以是磁力计，用以测量限定地预先给定的磁场在传感器的位置上的大小和方向。在该情况下，能够可选地设置有单元140，用以生成不均匀的磁场，该不均匀的磁场通过磁力计来检测。最后，所检测到的测量值可以传送到形式为电脑的评估装置130(以有线或无线的方式)。在测量头120从具有坐标系O0(X0、Y0、Z0)的初始位置到具有坐标系On(Xn、Yn、Zn)的新位置的位置变化时，除了移动以外也可以进行转动。借助评估装置130，可以由传感器120的变化的测量值来进行对新的坐标系相对于原始坐标系的记录。
对于测量不均匀的空间上的场的传感器，在获知了场的情况下传感器120就理论上而言就足够了。但是通常该场并不能足够准确地获知，并且由于倾斜度过小，位置变化也并不能足够准确地确定。在特殊情况下，可以使用磁力计、WLAN传感器、无线电波接收器、陀螺仪、加速度传感器、蓝牙传感器或者转动速率传感器。为了提升精度可以构建多个传感器装置(不同传感器的单元，这些不同的传感器允许6轴线测定确定)。
本发明公开了用于确定3D测量头在空间中的位置变化的方法和设备。为此，构建了固定地具有测量头(扫描头，也就是3D测量系统的部件，其确定在空间中的坐标点)的不同传感器，这些不同的传感器允许6轴线地确定在空间中的位置变化，其中，参考三个移动轴线和三个转动轴线确定位置变化。因此可以实现的是，测量头在位置n上的内部坐标系On借助自初始位置的坐标系O0起的传感器数据来计算。位置n通过传感器头在空间中自初始位置起的任意的移动和偏转建立。通过对新坐标系统On的获知可以实现，无需另外的辅助器件地彼此可靠地记录不同的视图(补丁)，或者将在相应的位置中求得的3D数据点在共同的球坐标系中示出。

Claims (15)

1.用于确定3D测量头的位置变化的设备，所述设备包括：
3D测量头；
至少一个与所述3D测量头连接的传感器装置，用以检测相应的依赖于位置的测量量，其中，所述依赖于位置的测量量包括空间上的不均匀的场；以及
评估装置，用以由至少一个所检测到的测量量来确定所述3D测量头相对于起始位置到终点位置上的位置变化；
其中，所述位置变化包括在空间中的移动和在空间中的转动；并且
其中，在空间中的位置变化能参考起始位置或终点位置的内部坐标系的三条线性不相关的移动轴线来确定，并且在空间中的转动能参考起始位置或终点位置的内部坐标系的三条线性不相关的转动轴线来确定。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，还构造有用于确定到另外的终点位置上的位置变化的评估装置。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，还构造有用于由起始位置的内部坐标系来计算任一终点位置的内部坐标系的评估装置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，每个传感器装置都具有一个传感器或多个传感器。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，从如下组中选出每个传感器，所述组包括磁力计、WLAN传感器、无线电波接收器、陀螺仪、蓝牙传感器、加速度传感器和转动速率传感器。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，此外，所述设备还包括：
用于生成相应的依赖于位置的测量量的器件。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，所述3D测量头是触觉测量头、光学测量头、光截面传感器或者激光扫描仪。
8.用于确定3D测量头的位置变化的方法，所述方法具有如下步骤：
使所述3D测量头从起始位置运动到终点位置；
利用相应地与所述3D测量头连接的传感器装置检测至少一个依赖于位置的测量量，其中，所述依赖于位置的测量量包括在空间上不均匀的场；并且
由至少一个所检测到的依赖于位置的测量量来确定所述3D测量头相对于起始位置到终点位置上的位置变化；
其中，对位置变化的确定包括对在空间中的移动的确定和对在空间中的转动的确定；并且
其中，在空间中的位置变化参考起始位置或终点位置的内部坐标系的三条线性不相关的移动轴线来确定，并且在空间中的转动参考起始位置或终点位置的内部坐标系的三条线性不相关的转动轴线来确定。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，首先执行如下步骤：
生成依赖于位置的测量量。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述方法还包括：
使所述3D测量头运动到另外的终点位置上，并且确定在所述另外的终点位置上的位置变化。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，所述方法还包括步骤：
由起始位置的内部坐标系来计算任一终点位置的内部坐标系。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述三条移动轴线与所述三条转动轴线是相同的。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述三条线性不相关的位置轴线相互垂直，并且/或者其中，所述三条线性不相关的转动轴线相互垂直。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括步骤：
在球坐标系中记录任一终点位置的内部坐标系。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，利用所述3D测量头测量出的点在所述球坐标系中示出。
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