DE10150436A1 - Laser-Meßsystem - Google Patents

Abstract

Offenbart ist ein 3-D-Laser-Meßsystem, mit einem Spiegel, der um eine Drehachse umlaufend drehbar ist, die parallel oder koaxial zu einem von einem optischen Sender abgegebenen, auf den Spiegel auftreffenden Meßstrahl verläuft.

Description

• Die Erfindung betrifft ein 3D-Laser-Meßsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
• Bei einem derartigen Meßsystem wird der von einem optischen Sender abgegebene Laser-Meßstrahl durch ein mechanisches Strahlablenkungssystem derart abgelenkt, daß eine flächendeckende, dreidimensionale räumliche Umgebungsvermessung ermöglicht ist. Die digitalisierten Meßdaten werden auf einem Rechnersystem abgelegt und stehen dort zur weiteren Bearbeitung und zur Visualisierung des vermessenen Objektes zur Verfügung.
• Die 3D-Vermessung erfolgt durch Führen des modulierten Laserlichtes über die zu vermessende Umgebung, wobei für unterschiedliche Raumrichtungen sowohl der Entfernungs- als auch der Reflektivitätswert punktuell vermessen werden kann. Aus der Anordnung aller vermessenen Raumrichtungen resultieren Entfernungs- und Reflektivitätsbilder. Die Entfernungsbilder geben die Geometrie der Umgebung wieder und die Reflektivitätsbilder deren visuelle Abbildung, analog zu den Grauwertbildern einer Videokamera. Beide Bilder korrespondieren pixelweise und sind aufgrund der eigenständigen, aktiven Beleuchtung mit Laserlicht weitgehend unabhängig von Umwelteinflüssen.
• Die räumliche Strahlablenkung erfolgt bei einem derartigen Meßsystem durch die genannte mechanische Ablenkeinheit, wie sie beispielsweise aus der US 6,034,803 A1 bekannt ist. Dieses Strahlablenksystem hat einen Spiegel, über den der von einem Sender abgegebene Laser-Meßstrahl auf ein Objekt gerichtet wird. Der Spiegel ist um eine koaxial oder parallel zur Meßstrahl-Achse des Senders angeordnete Drehachse um 360° drehbar gelagert. Der Austrittswinkel des Meßstrahls läßt sich über einen Schwenkmechanismus verändern, mit dem der Anstellwinkel des Spiegels mit Bezug zur Meßstrahlachse veränderbar ist. Bei der bekannten Lösung ist die Schwenkachse des Spiegels auf einem Joch gelagert und trägt an einem Endabschnitt ein Zahnrad, das mit einer Zahnstange kämmt, die über eine Steuerrolle auf einer Steuerkurve abgestützt ist. Diese Steuerkurve ist derart ausgebildet, daß bei der vorgenannten Rotation des Spiegels der Anstellwinkel so verändert wird, daß der Umgebungsraum abtastbar ist. Um sicherzustellen, daß die Steuerrolle der Zahnstange während der Rotation zuverlässig auf der Steuerkurve abgestützt ist, ist die Schwenkachse über Rückstellgewichte derart beaufschlagt, daß die Zahnstange in Richtung auf die Steuerkurve vorgespannt wird.
• Eine derartige Ablenkeinheit hat aufgrund der Vielzahl von bewegten Elementen (Steuerrolle, Rückstellgewichte, Zahnstange, Zahnrad) einen sehr komplexen mechanischen Aufbau mit einer großen Masse. Ein weiterer Nachteil besteht in dem in Vertikalrichtung eingeschränkten Sichtbereich.
• Aus der EP 1 001 251 A1 ist ein Laser-Positioniersystem bekannt, bei dem die mechanische Ablenkeinheit zwei drehbar gelagerte Spiegel aufweist, denen jeweils ein Stellmotor zugeordnet ist. Durch geeignete Ansteuerung dieser Spiegel läßt sich ebenfalls eine 3D-Vermessung durchführen. Auch bei dieser Variante ist ein erheblicher vorrichtungstechnischer Aufwand zur räumlichen Ablenkung des Meßstrahls erforderlich.
• Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein 3D-Laser- Meßsystem zu schaffen, das eine dreidimensionale Abtastung von zu vermessenden Objekten mit verringertem vorrichtungstechnischen Aufwand ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird durch ein 3D-Laser-Meßsystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
• Das erfindungsgemäße Meßsystem hat einen drehbaren Spiegel, dessen Drehachse etwa parallel oder koaxial zur Strahlachse des auf den Spiegel auftretenden Meßstrahls angeordnet ist. Die Lagerung des Spiegels ist so gewählt, daß dieser umlaufend drehbar ist, so daß bei einer Rotation des Spiegels um seine Drehachse ein Vollkreis (360°)abgetastet werden kann. Die Abtastung erfolgt somit spaltenweise - bspw. in Vertikalrichtung, während bei der aus der US 6,034,803 A bekannten Lösung eine zeilenweise Abtastung erfolgt. Eine umlaufende Drehung des Spiegels läßt sich wesentlich einfacher steuern als die Pendelbewegung des aus der US 6,034,803 A bekannten Lösung. Bei der aus der EP 1 001 251 A1 bekannten Lösung sind mindestens zwei Spiegel mit jeweils einem Antrieb erforderlich, so daß die Ansteuerung ebenfalls einen wesentlich höheren Aufwand erfordert.
• Die erfindungsgemäße Variante ermöglicht es beispielsweise, das Laser- Meßsystem mit dem drehbar angeordneten Spiegel auf einen Meßwagen aufzusetzen und das gesamte Profil eines Tunnels (360°) von einem fahrenden Meßzug aus flächendeckend zu messen.
• Bei einer besonders bevorzugten Variante eines Meßsystems zur Vermessung dreidimensionaler Objekte wird der Spiegel in einem Drehkopf gelagert, dessen Winkelposition über einen Encoder erfaßbar ist. Der den Spiegel aufnehmende Drehkopf ist mittels eines eigenen Drehantriebes umlaufend antreibbar. Der Antrieb für den Drehkopf und der Antrieb des Spiegels sind unabhängig voneinander ansteuerbar, so dass durch geeignete Ansteuerung die Datendichte in relevanten Bereichen erhöht und in weniger wichtigen Bereichen verringert werden kann.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei diesem Ausführungsbeispiel ein rotierendes Austrittsfenster des Drehkopfes durch eine Scheibe gebildet ist, die zur Vermeidung von Reflektionen entspiegelt ist. Zur Vermeidung diffuser Reflektionen kann diese Scheibe mit einem entsprechenden optischen Einsatz versehen werden.
• Der Drehkopf mit dem Spiegel und dem dazugehörigen Antrieb ist bei einer besonders bevorzugten Variante in einem Meßkopf gelagert, der seinerseits um eine vorzugsweise senkrecht zur Drehachse verlaufende Schwenkachse schwenkbar ist. Der Dreh- oder Schwenkwinkel des Drehkopfes kann dabei auf 180° begrenzt werden, so daß durch die Rotation des Spiegels und die Verschwenkung des Drehkopfes um 180° eine vollständige 3D-Abtastung (360°) möglich ist. Beim genannten Stand der Technik ist eine 360°-Drehung des Messkopfs erforderlich, etwa um den gleichen Bereich wie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung abzutasten.
• Die Lagerung des Drehkopfes ist besonders einfach, wenn der Meßkopf mit zwei Stützschenkeln ausgeführt ist, zwischen denen der Drehkopf angeordnet ist. Die Lagerelemente sowie der Antrieb des Drehkopfes, der optische Sender, der Empfänger sowie die zugeordnete Steuerung können dann in einen oder beide Stützschenkel integriert sein.
• Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
• Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen 3D-Laser- Meßsystems;
• Fig. 2 einen Schnitt durch das in Fig. 1 dargestellte 3D-Laser-Meßsystem und
• Fig. 3 eine geschnittene Seitenansicht des 3D-Laser-Meßsystems aus Fig. 1.
• Fig. 1 ist eine Prinzipdarstellung eines 3D-Laser-Meßsystems mit einem um eine vertikale Schwenkachse 2 verschwenkbaren Meßkopf 4. Dieser hat ein Gehäuse 6 mit zwei Stützschenkeln 8, 10, in denen ein Drehkopf 12 gelagert ist, der um eine in der Darstellung gemäß Fig. 1 horizontale Drehachse 14 umlaufend drehbar ist. Der Drehkopf 12 hat eine im folgenden noch näher beschriebene Optik, durch die ein Laser-Meßstrahl auf ein Objekt gerichtet werden kann.
• Durch die drehbare Lagerung des Drehkopfes 12 läuft dieser Meßstrahl 16 um die Drehachse 14 um, so daß praktisch eine vertikale Ebene abgetastet wird. Das vom Objekt reflektierte Laserlicht wird über den Drehkopf 12 empfangen, umgelenkt und von einer Auswerteeinheit mit einem optischen Empfänger ausgewertet, wobei aus der Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal (Meßstrahl 16) und dem über den Empfänger detektierten Streulicht auf die Laufzeit des Laserlichtes und somit die Entfernung des Objektes vom Meßkopf 4 zurückgeschlossen werden kann, während die Amplitude des detektierten Streulichtes dem Intensitätswert entspricht und von der Reflektivität und der Entfernung des vermessenen Objektes abhängt. Es lassen sich somit Entfernungsbilder als Grauwertbild darstellen, wobei jedem Entfernungswert ein entsprechender Grauwert zugeordnet ist. Auch die Intensitätsbilder lassen sich als Grauwertbilder darstellen, wobei dunkle Flächen (geringe Reflektivität) schwarz und helle Flächen (hohe Reflektivität) weiß erscheinen. Diese Art der Grauwert- Kodierung ist dem menschlichen Auge sehr vertraut und macht die Beurteilung von aufgenommenen Laserdaten vor Ort ohne aufwendige Datenverarbeitung relativ einfach. Im Gegensatz zu den Entfernungswerten hängt der Intensitätswert eines Objektes von zahlreichen Faktoren ab, beispielsweise von der Reflektivität der Oberfläche (Anteil der rückgestreuten Laserenergie), der Objektentfernung und dem Einfallswinkel des Laserstrahles. Hinsichtlich der hochkomplexen Verarbeitung des vom Objekt reflektierten und vom Meßkopf detektierten Signals sei auf die deutsche Patentanmeldung DE 198 51 307 A1 der Anmelderin verwiesen.
• In Fig. 2 ist ein Schnitt durch den Meßkopf 4 dargestellt. Wie bereits vorstehend erwähnt, wird durch das Gehäuse 4 ein Stützschenkel 8 und ein Stützschenkel 10 gebildet, in denen der drehbare Drehkopf 12 gelagert ist. Die beiden Stützschenkel 8, 10 gehen nach unten (Ansicht nach Fig. 2) hin in eine Basis 18 über, die auf einem Drehflansch 20 befestigt ist. Dieser Drehflansch 20 ist an einen nicht dargestellten Schwenkantrieb ankoppelbar, so daß der dargestellte Meßkopf 4 um die Schwenkachse 2 verschwenkbar ist. Der Drehkopf 12 hat einen Gehäusemantel 22, durch den ein etwa zylinderförmiger Innenraum 24 umgriffen wird, in dem ein schräg angestellter Spiegel 26 aufgenommen ist.
• Wie insbesondere aus Fig. 3, die eine Seitenansicht von rechts auf die Darstellung gemäß Fig. 2 zeigt, hervorgeht, hat der Gehäusemantel 22 einen etwa zylinderförmigen, den Innenraum 24 umgreifenden Abschnitt 28, auf den ein Schacht 30 aufgesetzt ist. Dieser stützt eine entspiegelte Scheibe 32 ab, wobei die Geometrie des Schachtes 30 so gewählt ist, daß sich die Scheibe 32 tangential zum Abschnitt 28 erstreckt.
• Zur Vermeidung von unerwünschten diffusen Reflektionen kann an der Scheibe 32 ein derartige Reflektionen unterbindender Einsatz ausgebildet sein.
• Am Gehäusemantel 22 des Drehkopfes 12 sind zwei flanschartige Vorsprünge 34, 36 ausgebildet, zwischen denen sich die Scheibe 32 und der Schacht 30 erstrecken. An der außen liegenden Stirnfläche des linken Vorsprunges 34 (Fig. 2) ist eine Antriebswelle 38 ausgebildet, die über eine Lagerung 40 in dem Stützschenkel 8 gelagert ist. Diese Lagerung 40 kann als Radial- und Axiallager ausgeführt sein. Prinzipiell könnte die Axialführung auch durch die Abstützung der Vorsprünge 34, 36 an den benachbarten Seitenwandungen der Stützschenkel 8, 10 erfolgen.
• An dem von der Antriebswelle 38 entfernten Vorsprung 36 ist eine Nabe 42 ausgebildet, die über ein Lager 44 in dem Stützschenkel 10 des Gehäuses 6 gelagert ist.
• An dem frei auskragenden Endabschnitt der Antriebswelle 38 ist ein Antriebsritzel 46 befestigt, das über einen Riemen mit einem Ausgangsritzel 50 eines Drehantriebes 52 verbunden ist. Dieser hat eine das Ausgangsritzel tragende Ausgangswelle 54, die über Lager 56 in der Basis 18 des Gehäuses 6 gelagert ist. Die Drehwinkelposition des Drehkopfes 12 wird über einen auf die Antriebswelle 38 aufgesetzten Drehgeber 54 erfaßt. Die Ansteuerung des Drehantriebes 52 erfolgt über eine Steuerung 56, die in der Basis 18 des Gehäuses 6 aufgenommen ist. Wie aus der Darstellung gemäß Fig. 2 hervorgeht, ist der vergleichsweise schwere Drehantrieb 52 mit seinem Antriebsmotor etwa in der Schwenkachse 2 angeordnet, so daß das Massenträgheitsmoment und eventuelle Unwuchten des gesamten Meßkopfes 4 mit Bezug zur Schwenkachse 2 minimal sind. Der Schwenkantrieb des Meßkopfs 4 und der Drehantrieb 52 des Drehkopfs 12 sind unabhängig voneinander ansteuerbar.
• In dem in Fig. 2 rechts dargestellten Stützschenkel 10 ist ein optischer Sender 58 aufgenommen, über den Laserlicht mit einer vergleichsweise geringen Leistung von einigen Milliwatt abgegeben wird. Der vom Sender 58 abgegebene Laserstrahl ist im wesentlichen koaxial zur Drehachse 14 ausgerichtet und tritt durch ein lediglich für das detektierte Streulicht wirksames Ablenkmittel 60 in den einseitig offenen Innenraum 24 des Drehkopfes 12 ein, trifft auf den Spiegel 26 und wird von diesem zur Scheibe 32 hin reflektiert, so daß ein Meßstrahl aus dem Drehkopf 12 austritt. Der Austrittswinkel dieses Meßstrahles mit Bezug zur Schwenkachse 2 ist durch die Drehwinkelposition des Spiegels 26 vorgegeben.
• Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das feststehende Ablenkmittel 60 durch einen Spiegel mit einer Bohrung gebildet, die den von dem optischen Sender emittierten Meßstrahl in Richtung auf den drehbar gelagerten Spiegel 26 durchläßt.
• Der vom Objekt reflektierte Strahl tritt durch die Scheibe 32 hindurch in den Innenraum 24 ein, wird vom Spiegel 26 um 90° umgelenkt und auf das Ablenkmittel 60 gerichtet. Der vom Ablenkmittel 60 reflektierte Strahl 62 wird dann mit einem optischen Empfänger (APD) 64 erfaßt, über die elektronische Steuerung und Auswerteeinheit 56 ausgewertet und die eingangs beschriebenen Entfernungs- und Intensitätswerte ermittelt und zur Visualisierung der Intensitätsbilder verarbeitet. Bei einer Umdrehung des Drehkopfes 12 wird durch den umlaufenden Laserstrahl eine in Vertikalrichtung (Ansicht nach Fig. 2) liegende Ebene des zu vermessenden Objektes abgetastet. Die vollständige 3D-Abtastung erfolgt dann durch Schwenken des gesamten Meßkopfes um die Schwenkachse 2, so daß nach einer Verschwenkung des Meßkopfes um 180° ein nahezu vollständiges Abbild des Objektes, beispielsweise eines Tunnels oder eines Raumes, in dem das 3D-Laser-Meßsystem positioniert ist, vorliegt. Nicht abtastbar bei dem vorbeschriebenen System ist der vom Meßkopf 4 abgedeckte Bereich, der in Fig. 3 mit dem Winkel α angedeutet ist.
• Aufgrund des Meßprinzips mit einer Verschwenkung des Meßkopfes 4 um die Schwenkachse 2 und einer Rotation des Drehkopfes 12 mit dem Spiegel 26 um die Drehachse 14 wird im Schnittpunkt der durch die Drehung des Spiegels 26 abgetasteten Ebenen, d. h. im Bereich des Schnittpunkts der Schwenkachse 2 mit dem zu vermessenden Objekt die höchste Datendichte vorliegen. Da die Antriebe für den Meßkopf und den Drehkopf unabhängig voneinander ansteuerbar sind, können mit dem erfindungsgemäßen System bestimmte Fenster abgetastet werden, wobei die entkoppelten Antriebe auch eine Steuerung der Datendichte in dem relevanten Bereich ermöglichen.
• Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Variante kann zur Vermessung von Körpern, Freiformen, Gebäuden, Denkmälern, Kanälen oder zur Führung fahrerloser Transportsysteme in unzugänglichen Bereichen (Atomkraftwerk, etc.) verwendet werden. Bei einer vereinfachten Version kann die Schwenkachse 2 entfallen und der Meßkopf 4 auf einem parallel zur Drehachse 14 verschiebbaren Schlitten oder Wagen angeordnet werden. Eine derartige Lösung mit einem ohne Schwenkachse 2 ausgeführten Drehkopf 4 kann beispielsweise zur Vermessung von Tunnelröhren verwendet werden, wobei der Meßkopf 4 auf einem den Tunnel durchfahrenden Meßwagen befestigt ist. In diesem Fall würde sich in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit des Meßwagens eine etwa spiralförmige Abtastung des Tunnelinnenraumes ergeben.
• Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich durch eine äußerst kompakte Form mit einem sehr einfachen Aufbau aus, wobei die umlaufende Drehung des den Spiegel 26 aufnehmenden Drehkopfes 12 durch einen geeigneten Stellmotor äußerst präzise und unabhängig von der Ansteuerung des Meßkopfs gesteuert werden kann, so daß auch höchsten Anforderungen an die Meßgenauigkeit entsprochen werden kann.
• Offenbart ist ein 3D-Laser-Meßsystem, mit einem Spiegel, der um eine Drehachse umlaufend drehbar ist, die parallel oder koaxial zu einer von einem optischen Sender abgegebenen, auf den Spiegel auftreffenden Meßstrahl verläuft. Bezugszeichenliste 1 3D-Laser-Meßsystem
  2 Schwenkachse
  4 Meßkopf
  6 Gehäuse
  8 Stützschenkel
  10 Stützschenkel
  12 Drehkopf
  14 Drehachse
  16 Meßstrahl
  18 Basis
  20 Drehflansch
  22 Gehäusemantel
  24 Innenraum
  26 Spiegel
  28 Abschnitt
  30 Schacht
  32 Scheibe
  34 Vorsprung
  36 Vorsprung
  38 Antriebswelle
  40 Lagerung
  42 Nabe
  44 Lager
  46 Antriebsritzel
  48 Riemen
  50 Ausgangsritzel
  52 Drehantrieb
  54 Ausgangswelle
  56 Lager
  58 Sender
  60 Ablenkmittel
  62 reflektierter Strahl
  64 Empfänger
  

Claims (10)

1. 3D-Laser -Meßsystem mit einem Sender (58) zur Abgabe von Meßstrahlen, insbesondere Laserstrahlen, einem Empfänger (64) zur Verarbeitung der von einem Objekt reflektierten Strahlen und mit Ablenkmitteln, über die die vom Sender abgegebenen Meßstrahlen zur Abtastung des Objektes ablenkbar sind, wobei die Ablenkmittel einen dreh- oder schwenkbar gelagerten Spiegel (26) zur Ausrichtung des austretenden Meßstrahles (16) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (26) um eine parallel oder koaxial zur Achse des auf den Spiegel (26) auftreffenden Meßstrahls (16) verlaufende Drehachse (14) umlaufend drehbar gelagert ist.

2. Meßsystem nach Patentanspruch 1, wobei der Spiegel (26) in einem von einem Drehantrieb (52) drehbaren Drehkopf (12) gelagert ist.

3. Meßsystem nach Patentanspruch 2, wobei die Winkelposition des Drehkopfes (12) über einen Drehgeber (54) erfaßbar ist.

4. Meßsystem nach Patentanspruch 2 oder 3, wobei der Drehkopf (12) eine ein Austrittsfenster bildende entspiegelte Scheibe (32) hat.

5. Meßsystem nach Patentanspruch 4, wobei die Scheibe (32) einen eine diffuse Reflektion verhindernden Einsatz hat.

6. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Drehachse (14) in Horizontalrichtung angeordnet ist.

7. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 2-6, mit einem Gehäuse (6), mit zwei Stützschenkeln (8, 10), zwischen denen sich der drehbar gelagerte Drehkopf (12) erstreckt.

8. Meßsystem nach Patentanspruch 7, wobei der Drehkopf (12) mit einem Drehantrieb (52), einem Sender (58) und einem Empfänger (64) in einem Meßkopf(4) gelagert ist, der seinerseits um eine senkrecht zur Drehachse (14) verlaufende Schwenkachse (2) verschwenkbar ist.

9. Meßsystem nach Patentanspruch 8, wobei der Meßkopf (4) um eine etwa 180° verschwenkbar ist.

10. Meßsystem nach Patentanspruch 2 und 8, wobei der Drehantrieb (52) und ein Schwenkantrieb des Meßkopfs (4) unabhängig voneinander ansteuerbar sind.