CN104870937A

CN104870937A - 用于确定目标物体的二维的位置坐标的方法和设备

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Publication number: CN104870937A
Application number: CN201380065998.7A
Authority: CN
Inventors: T·戈戈拉; A·文特
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-08-26
Also published as: WO2014095949A1; US20150346342A1; JP2016504585A; US20180210085A1; EP2936054A1; DE102012223929A1

Abstract

本发明涉及一种用于确定目标物体(11)在二维的测量平面(12)中的位置坐标(X_M、Y_M)的方法，所述方法包括如下步骤：将包括反射器元件(31)的目标装置(13)定位在目标物体(11)上，将激光束由激光装置(14)的发射元件沿基本上平行测量平面(12)的传播方向(27)发射到目标装置(13)上，将激光束的至少一部分在反射器元件(31)上部分地反射，由摄像机装置(15)拍摄目标装置(31)的具有至少部分地反射的作为光反射的激光束的图像，其中，摄像机装置(15)的观察方向(34)相对于测量平面(12)成仰角倾斜，在目标装置(13)的图像中确定光反射的重心，由摄像机装置(15)的焦距、仰角和光反射的重心在摄像机装置的坐标系中的第一和第二图像坐标计算第一和第二距离，并且由第一和第二距离计算目标物体(11)的位置坐标。

Description

用于确定目标物体的二维的位置坐标的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分的用于确定目标物体的二维的位置坐标的方法以及一种按照权利要求6的前序部分的用于确定目标物体的二维的位置坐标的设备。

背景技术

由EP 0 481 278 A1已知用于确定目标物体的二维的位置坐标的一种方法和一种设备。所述设备具有激光距离测量装置、摄像机装置、基准装置和控制装置。激光距离测量装置具有发射激光束的发射元件，并且具有接收元件，所述接收元件将在目标物体上至少部分地反射的激光束作为接收光束接收。基准装置具有第一和第二轴线，它们垂直于彼此设置并且张开内部的坐标系；坐标系的第三轴线垂直于第一和第二轴线延伸通过所述轴线的交点。所述设备此外具有用于确定方位角的角度测量装置。目标物体通过摄像机装置精确地瞄准并且在此激光距离测量装置的瞄准轴线和摄像机装置的瞄准轴线定向到目标物体上。激光距离测量由激光距离测量装置实施并且方位角由角度测量装置确定。二维的位置坐标由距离值和方位角计算。

已知的用于确定目标物体的位置坐标的设备具有缺点，即，至少一个角度测量装置是必需的，这提高用于确定位置坐标的设备的复杂性和费用。此外，激光束为了激光距离测量和为了角度测量必须精确定向到目标物体上。

发明内容

本发明的任务在于开发用于确定目标物体的二维的位置坐标的方法，其适合用于使用在内部空间中并且以小的花费为操作者确定位置坐标。此外应该开发对于按照本发明的方法合适的设备，以用于确定目标物体的二维的位置坐标。

该任务在用于确定目标物体的二维的位置坐标的开头所述方法中按照本发明通过独立权利要求1的特征并且在用于确定目标物体的二维的位置坐标的开头所述设备中通过独立权利要求6的特征解决。有利的进一步构成在从属权利要求中给出。

按照本发明，用于确定目标物体在二维的测量平面中的位置坐标的方法具有如下步骤：

-将包括反射器元件的目标装置定位在目标物体上，

-将激光束由激光装置的发射元件沿基本上平行于测量平面的传播方向发射到目标装置上，

-将激光束的至少一部分在反射器元件上部分地反射，

-由摄像机装置拍摄目标装置的包括至少部分反射的作为光反射的激光束的图像，其中，摄像机装置的观察方向相对于测量平面成仰角倾斜，

-在目标装置的图像中确定光反射的重心，

-由摄像机装置的焦距、仰角和光反射的重心在摄像机装置的坐标系中的第一和第二图像坐标计算第一和第二距离，并且

-由第一和第二距离计算目标物体的位置坐标。

借助摄像机装置的图像中的光反射确定目标物体的位置坐标具有优点，即，除了摄像机装置之外仅一个激光装置是必需的。由于不是必需角度测量装置，可以实现低成本的设备。操作者可以以小的花费确定目标物体的位置坐标。

优选利用摄像机装置拍摄目标装置的一系列图像。指向到目标装置上的激光束可以作为具有大于80°的张角的扩展的激光束、作为运动的激光束或作为具有小于10°的张角的运动的激光束构成。在扩展的、不运动的激光束中，激光束在目标装置的反射器元件上至少部分地反射并且在摄像机装置的图像中产生光反射。如果摄像机装置拍摄目标装置的一系列图像，则只要激光束被发射，光反射可见。在运动的激光束中，摄像机装置不仅拍摄目标装置的具有光反射的图像而且拍摄没有光反射的图像。

在所述方法的第一变型中，从利用摄像机装置拍摄的图像的系列中确定具有最强烈的光反射的图像作为目标装置的包括光反射的图像。第一变型特别是适合用于运动的激光束，其中，在一系列利用摄像机装置拍摄的图像中不仅存在包括光反射的图像而且存在没有光反射的图像。具有最强烈的光反射的图像可以借助已知的图像处理技术确定。

在所述方法的第二变型中，通过对利用摄像机装置拍摄的图像的系列的多个图像取平均确定目标装置的具有光反射的图像。第二变型特别是适合用于不运动的激光束，其中，光反射在图像中可见，只要激光束被发射。对具有光反射的多个图像取平均可以借助已知的图像处理技术进行。

在所述方法的一种优选的实施方式中，同时由控制装置控制利用摄像机装置对目标装置的图像的拍摄和由激光装置对激光束的发射。

尤其是为了实施按照本发明的方法，用于确定目标物体在测量平面中的二维的位置坐标的按照本发明的设备具有：

-包括反射器元件的目标装置，所述反射器元件确定目标物体的位置坐标，

-包括发射元件和控制元件的激光装置，所述发射元件发射沿基本上平行于测量平面的传播方向传播的激光束，

-包括接收装置和控制元件的摄像机装置，其中，摄像机装置的观察方向相对于测量平面成仰角倾斜，

-包括第一轴线和第二轴线的基准装置，其中，第一和第二轴线垂直于彼此设置并且在交点中相交，以及

-包括用于控制激光装置和摄像机装置的控制元件的控制装置以及用于计算目标物体的位置坐标的评估元件。

用于确定目标物体的二维的位置坐标的按照本发明的设备能够实现，在没有角度测量装置的情况下确定目标物体的位置坐标。通过不必需角度测量装置，可以实现低成本的设备。操作者可以以小的花费确定目标物体的位置坐标。

反射器元件在一种优选的实施方式中作为旋转对称的基体或作为旋转对称的基体的区段构成。对于二维的测量，圆柱体或圆柱体区段适合于作为反射器元件。旋转对称的基体具有优点，即，从表面至中点的距离从所有方向上是相同的。目标物体的位置坐标处于圆柱体的圆柱体轴线上。圆柱体的半径存储在控制装置中或由操作者输入控制装置中。为了计算位置坐标，在计算时考虑目标装置的半径。

在第一变型中，激光装置具有光束成形光学系统，所述光束成形光学系统将激光束沿平行于测量平面的方向以大于80°的张角扩展。在此光束成形光学系统特别优选沿垂直于测量平面的方向对激光束对准或聚焦。该光束成形光学系统具有优点，即，优化利用激光束的可用的功率。在确定测量平面中的二维的位置坐标时，沿垂直于测量平面的方向不是必需扩展激光束。激光束的限定的功率通过光束成形光学系统在测量平面中分布。通过光束成形光学系统扩展激光束提供使用静止的激光装置的可能性。

概念“光束成形光学系统”包括全部的成形光束的光学元件，其对激光束扩展、对准或聚焦。光束成形光学系统可以包括一个光学的元件，一个或多个光学的功能集成到所述一个光学元件中，或可以包括多个依次设置的光学元件。柱面透镜、锥形反射镜和类似的光学元件适合作为用于扩展激光束的光束成形光学系统。

在第二变型中，激光装置具有发动机单元，其中，发动机单元使激光束围绕垂直于测量平面的旋转轴线运动。当激光束在扩展之后的功率密度过小时，激光束的旋转可供使用，以便为了评估在摄像机装置的图像中获得可见的光反射。激光束围绕垂直于测量平面的旋转轴线的旋转可以作为旋转的、扫描的或追踪(trackende)的运动实施。在此激光束在旋转的运动中连续围绕旋转轴线旋转，在扫描的运动中围绕旋转轴线周期性来回运动并且在追踪运动中激光束跟随目标装置。第二变型的发动机单元可以与对激光束对准或聚焦的光束成形光学系统组合。

在第三变型中，激光装置具有光束成形光学系统和发动机单元，其中，光束成形光学系统将激光束沿平行于测量平面的方向以直到10°的张角扩展并且发动机单元使激光束围绕垂直于测量平面的旋转轴线运动。激光束的扩展和围绕旋转轴线的旋转能够组合。激光束由光束成形光学系统扩展直到10°并且扩展的激光束由发动机单元围绕旋转轴线运动。光束扩展和旋转的组合能够实现以足够强的功率密度探测接收光束以用于评估光反射。激光束的旋转可以作为旋转的、扫描的或追踪的运动实施。

在优选的第一实施方式中，按照本发明的设备的目标装置安装在手持的工具仪器上。在以手持的工具仪器加工期间，可以利用按照本发明的设备确定工具仪器的当前的位置坐标。

附图说明

接着借助附图说明本发明的实施例。所述附图应该不是必然按比例示出实施例，而是所述附图对于解释有用时以示意的和/或轻微失真的形式实施。关于由附图直接可看出的教导的补充参阅有关的现有技术。在此考虑，可以关于实施形式的形式和细节进行多样化的修改和改变，而不会偏离本发明的一般思想。本发明的在说明书、附图以及权利要求中公开的特征可以不仅单独本身而且以任意的组合对于本发明的进一步构成是重要的。此外由至少两个在说明书、附图和/或权利要求中公开的特征的所有组合落入本发明的范围中。本发明的一般思想不限制于接着的示出的和所述优选的实施形式的精确的形式或细节或限制于如下主题，所述主题相比于在权利要求中要求的主题被限制。在给定的测量范围中，处于所述界限内的值也应该作为界限值公开并且任意可使用和可要求。出于简单性接着对于相同的或类似的部件或具有相同的或类似的功能的部件使用相同的附图标记。

其中：

图1示出用于在测量平面中确定目标物体的二维的位置坐标的按照本发明的设备，包括目标装置、激光装置、摄像机装置、基准装置和控制装置；

图2示出图1的设备的框图形式，所述设备包括激光装置、摄像机装置和控制装置；以及

图3示出目标装置的利用摄像机装置拍摄的图像，包括反射的激光束作为光反射，所述光反射被评估以用于确定目标物体的位置坐标。

具体实施方式

图1示出用于在测量区12中确定目标物体11的位置坐标X_M、Y_M的按照本发明的第一设备10。测量区12构成为测量平面并且目标物体11的位置坐标X_M、Y_M是二维的。

设备10具有目标装置13、激光装置14、摄像机装置15、基准装置16、控制装置17和手持式部件18。激光装置14、摄像机装置15、基准装置16和控制装置17集成到测量仪器19中，所述测量仪器在图1中示出的实施方式中安装在仪器支架20上。手持式部件18具有控制元件21、包括显示器23的显示装置22以及操作装置24。替代测量仪器19中的布置结构，控制装置17可以设置在手持式部件18中。测量仪器19和手持式部件18通过无线的通讯连接25相互连接。备选于在图1中示出的目标装置13和手持式部件16的分开，可以将目标装置集成到手持式部件中。

基准装置16具有第一和第二轴线26、27，它们垂直于彼此设置并且在交点28相交。第一和第二轴线26、27形成测量仪器19的内部的坐标系。第三轴线29垂直于第一和第二轴线26、27延伸经过两个轴线26、27的交点28。由第一轴线26和第二轴线27形成的平面平行于测量平面12延伸并且激光装置14的传播方向平行于第二轴线27延伸。当应该确定目标物体11在与测量仪器19的内部的坐标系26、27不同的外部的坐标系中的位置坐标时，这些坐标系上下相叠地放置或在外部的坐标系和测量仪器19的内部的坐标系之间的移动和/或扭转被确定并且在测量仪器19上手动输入或自动传输给控制装置17。

目标物体11在测量平面12中的位置借助目标装置13标出。目标装置13具有用于反射激光装置14的激光束的反射器元件31。反射器元件31在图1中示出的实施方式构成为圆柱体并且目标物体11的位置坐标处于反射器元件31的圆柱体轴线32上。对于按照本发明的设备10重要的是，设置在中心点的目标物体11的位置坐标与表面上的每个点具有相同的距离。圆柱体31的半径R存储在控制装置17中或由操作者输入到控制装置17中。反射器元件31可以紧固在测杆33上并且由操作者在目标物体11上定位。为了使反射器元件31的圆柱体轴线32垂直于测量平面12定向，例如水准器或另一种倾斜传感器形式的水准测量装置可以集成到测杆33中。备选于测杆33，目标装置13可以紧固在壁或天花板上、放置到底部上或例如紧固在车辆或工具仪器上。

激光装置14发射激光束，所述激光束定向到目标装置13上。激光装置14的激光束的传播方向平行于第二轴线27和平行于测量平面12延伸。为了可以通过在目标装置13上反射的激光束确定目标物体11的位置坐标X_M、Y_M，摄像机装置15的观察方向34必须相对于测量平面12成仰角倾斜。摄像机装置15的坐标系以仰角相对于测量仪器19的内部的坐标系26、27扭转并且以一定距离移动。摄像机装置15可以围绕旋转轴线或围绕旋转点可旋转地构成。通过摄像机装置15的可旋转性，摄像机装置15的观察方向34可以向测量区域的中心定向。

摄像机装置15的坐标系的坐标原点可以附加地相对于测量仪器19的内部的坐标系26、27的坐标原点移动。摄像机装置15的坐标系关于仰角相对于内部的坐标系的扭转对于确定位置坐标是必需的，移动和关于方位角的扭转与之相反不是必需的。当存在移动和关于方位角的扭转时，这些大小必须已知并且附加地被考虑用于确定在测量仪器19的内部的坐标系中的位置坐标。

除了确定存在的目标物体的位置坐标之外，设备10也可以用于发现位置坐标。为此，用户引导装备有测量尖端或类似物的反射器元件到测量面上并且寻找预定的位置坐标，所述反射器元件也可以在手持式部件中集成。位置坐标可以在手持式部件中手动输入或位置坐标通过通讯连接从另一个仪器传输到所述设备上。

图2以框图形式示出测量仪器19的主要构件和其在确定目标物体11的位置坐标时的相互作用。激光装置14、摄像机装置15和控制装置17处于测量仪器19中。

激光装置14具有构成为激光二极管的发射元件41、光束成形光学系统42和控制元件43。激光二极管41发射激光束44，所述激光束指向到目标装置13上。光束成形光学系统42可以作为单独的光学元件或作为包括多个光学元件的系统构成。为了可以确定运动的目标物体的位置坐标，在按照本发明的设备10中必需的是，激光束44检测较大的角度范围。这可以通过激光束44在测量平面12中的扩展或通过激光束44围绕垂直于测量平面12的旋转轴线的旋转取得。图2示出激光距离测量装置14，其中激光束44借助适合的光束成形光学系统42扩展。作为用于扩展的光束成形光学系统42适用的特别是柱面透镜和光学锥。

摄像机装置15例如构成为CCD摄像机并且具有接收装置45和用于控制摄像机装置15和用于评估接收的图像的控制元件46。控制装置17借助激光装置14和摄像机装置15控制用于确定目标物体11的位置坐标的按照本发明的方法。控制装置17具有用于控制激光装置14和摄像机装置15的控制元件47以及用于计算目标物体11的位置坐标X_M、Y_M的评估元件48。

操作者通过在手持式部件18上的起动指令开始确定位置坐标。起动指令由控制装置17的控制元件48转化为第一控制指令到激光装置14上和转化为第二控制指令到摄像机装置15上。基于第一控制指令，激光装置14的发射元件41发射激光束44，所述激光束入射到反射器元件31上并且在反射器元件31上部分地反射。基于第二控制指令，摄像机装置15拍摄一系列目标装置13的图像。在反射器元件31上部分反射的激光束46在目标装置13的至少一个图像中作为光反射可见。摄像机装置15的控制元件46借助已知的图像处理技术例如确定目标装置13的具有最强烈的光反射的图像。备选于具有最强烈的光反射的图像，可以对多个其中可见光反射的图像取平均。

图3示出目标装置13的具有光反射62的图像61，其被评估以用于确定目标物体11的位置坐标X_M、Y_M。图像61包括像素的阵列，所述像素成行和成列设置，其中像素的数量通过摄像机装置15的分辨率确定。

在目标装置13的图像61中借助已知的图像处理技术由摄像机装置15的控制元件46确定光反射62的重心63。光反射62的重心63在摄像机装置15的坐标系中具有第一图像坐标X_S和第二图像坐标Y_S。由光反射62的重心63在摄像机装置15的坐标系中的图像坐标X_S、Y_S，利用摄像机装置15的焦距f以及摄像机装置15的坐标系相对于测量仪器19的内部的坐标系26、27的扭转和可能的移动计算第一距离d₁和第二距离d₂。由第一和第二距离d₁、d₂随后计算目标物体11的位置坐标X_M、Y_M。

Claims

1.用于确定目标物体（11）在二维（X，Y）的测量平面（12）中的位置坐标（X_M，Y_M）的方法，所述方法包括如下步骤：

-将包括反射器元件（31）的目标装置（13）定位在目标物体（11）上，

-由激光装置（14）的发射元件（41）将激光束（44）沿基本上平行于测量平面（12）的传播方向（27）发射到目标装置（13）上，

-将激光束（44）的至少一部分在反射器元件（31）上部分地反射，

-由摄像机装置（15）拍摄目标装置（13）的具有至少部分地反射的激光束（44）作为光反射（62）的图像（61），其中，摄像机装置（15）的观察方向（34）相对于测量平面（12）成仰角倾斜，

-在目标装置（13）的图像（61）中确定光反射（62）的重心（63），

-由摄像机装置（15）的焦距（f）、仰角和光反射（62）的第一和第二图像坐标（X_S，Y_S）计算第一和第二距离（d₁，d₂），

-由第一和第二距离（d₁，d₂）计算目标物体（11）的位置坐标（X_M，Y_M）。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，利用摄像机装置（15）拍摄目标装置（13）的一系列图像。

3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，从利用摄像机装置（15）拍摄的图像的系列中确定具有最强的光反射的图像作为目标装置（13）的具有光反射（62）的图像（61）。

4.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，通过对利用摄像机装置（15）拍摄的图像的系列的多个图像取平均确定目标装置（13）的具有光反射（62）的图像（61）。

5.按照权利要求2至4之一所述的方法，其特征在于，同时由控制装置（17）控制利用摄像机装置（15）对目标装置（13）的图像的拍摄和由激光装置（14）对激光束（44）的发射。

6.用于确定目标物体（11；51）在二维（X，Y）的测量平面（12）中的位置坐标（X_M，Y_M）以用于实施按照权利要求1至5之一所述的方法的设备（10），所述设备具有：

-包括反射器元件（31）的目标装置（13），所述反射器元件确定目标物体（11）的位置坐标（X_M，Y_M），

-包括发射元件（41）的激光装置（14），所述发射元件发射沿基本上平行测量平面（12）的传播方向（27）传播的激光束（44），

-包括接收装置（45）和控制元件（46）的摄像机装置（15），其中，摄像机装置（15）的观察方向（34）相对于测量平面（12）成仰角倾斜，

-包括第一轴线（26）和第二轴线（27）的基准装置（16），其中，第一和第二轴线（26、27）垂直于彼此设置并且在交点（28）处相交，以及

-包括用于控制激光装置（14）和摄像机装置（15）的控制元件（47）以及用于计算目标物体（11）的位置坐标（X_M，Y_M）的评估元件（48）的控制装置（17）。

7.按照权利要求6所述的设备，其特征在于，反射器元件构成为旋转对称的基体（31）或构成为旋转对称的基体的区段。

8.按照权利要求6至7之一所述的设备，其特征在于，激光装置（14）具有光束成形光学系统（42），所述光束成形光学系统将激光束（44）沿基本上平行于测量平面（12）的方向以大于80°的张角扩展。

9.按照权利要求8所述的设备，其特征在于，光束成形光学系统（42）将激光束（44）沿相对于测量平面（12）基本上垂直的方向对准或聚焦。

10.按照权利要求6至7之一所述的设备，其特征在于，激光装置（14）具有发动机单元，其中，所述发动机单元使激光束（44）围绕垂直于测量平面（12）的旋转轴线运动。

11.按照权利要求6至7之一所述的设备，其特征在于，激光装置（14）具有光束成形光学系统和发动机单元，其中，光束成形光学系统使激光束（44）沿基本上平行于测量平面（12）的方向以直到10°的张角扩展并且发动机单元使激光束（44）围绕垂直于测量平面（12）的旋转轴线运动。

12.按照权利要求6至11之一所述的设备，其特征在于，目标装置安装在手持的工具仪器上。