DE102005027208A1

DE102005027208A1 - Verfahren zur Ansteuerung eines Laserscanners

Info

Publication number: DE102005027208A1
Application number: DE102005027208A
Authority: DE
Inventors: Markus Mettenleiter; Martin Breitner; Christoph Dr. Fröhlich
Original assignee: Zoller and Froehlich GmbH
Current assignee: Zoller and Froehlich GmbH
Priority date: 2004-11-16
Filing date: 2005-06-13
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2025-06-14
Also published as: DE102005027208B4; US7508496B2; US20060109536A1

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines Laserscanners mit einem Strahlablenkungssystem für einen von einer Laserlichtquelle abgegebenen Laserstrahl, wobei in Abhängigkeit von der Laserleistung der Laserlichtquelle ein einzuhaltender Mindestabstand ermittelt wird. Während der Messung wird der erfasste Objektabstand mit diesem Mindestabstand verglichen und die Laserlichtquelle ausgeschaltet und/oder die Laserleistung verringert, wenn der erfasste Objektabstand geringer als der Mindestabstand ist. Offenbart ist des weiteren ein Laserscanner zur Durchführung dieses Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Laserscanners gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und einen Laserscanner zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Bei 3D-Scannern wird der von einem optischen Sender abgegebene Lasermessstrahl durch ein mechanisches Strahlablenkungssystem derart abgelenkt, dass eine raumfüllende, dreidimensionale Umgebungsvermessung ermöglicht ist. Die digitalisierten Messdaten werden auf einem Rechnersystem abgelegt und stehen dort zur weiteren Bearbeitung und zur Visualisierung des vermessenen Objekts und/oder der Umgebung zur Verfügung.

Eine 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 Raumpunkte resultieren Entfernungs- und Reflektivitätsbilder. Die Entfernungsbilder geben die Geometrie der Umgebung wieder und die Reflektivitätsbilder deren visuelle Abbildung, analog zu den Grauwertbildern einer Schwarzweiß-Fotografie. 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.

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.

In der DE 202 08 077 U1 ist ein verbessertes 3D-Lasermesssystem offenbart, bei dem ein Spiegel in einem Drehkopf gelagert ist, der seinerseits in einem um eine Vertikalachse verschwenkbaren Messkopf aufgenommen ist. Der den Spiegel aufnehmende Drehkopf hat ein von einer Scheibe abgedecktes Austrittsfenster für den Laser-Messstrahl, das zur Verringerung von Reflektionen schräg zum austretenden Messstrahl angestellt ist. Dieser 3D-Scanner lässt sich auch bei ungünstigen Betriebs- und Witterungsbedingungen einsetzen.

Aus den Normen für Lasersicherheit (EN/IEC 60825-1 und ähnliche) ergeben sich für bestimmte Lasersicherheitsklassen bestimmte Grenzwerte für die maximal zulässige, auf ein Objekt einfallende Lichtenergie in einem bestimmten Zeitintervall vorgeschrieben, um eine Gefährdung des Menschen auszuschließen.

Bei zu Vermessungszwecken im öffentlichen Raum eingesetzten Laser-Entfernungsmessern (LIDAR) besteht einerseits die Notwendigkeit, die emittierte Laserleistung auf ein für das menschliche Auge unschädliches Maß zu begrenzen, also eine entsprechende Sicherheitsklasse einzuhalten. Andererseits muss für eine optimale Qualität der Messergebnisse eine möglichst hohe Laserleistung emittiert werden. Laut Lasersicherheitsnorm EN/IEC 60825-1 können für verschiedene Entfernungsbereiche um Laserstrahlquellen verschiedene Sicherheitsklassen definiert werden. Es soll dabei sichergestellt werden, dass Bereiche, in denen für das menschliche Auge gefährliche Laseremissionen auftreten, nicht betreten werden können oder die emittierte Leistung der Laserlichtquelle nur so groß ist, dass eine Gefährdung des menschlichen Auges nicht auftreten kann. Die Norm schreibt dabei als "Testobjekt" zur Bestimmung der Lasersicherheitsklasse eine kreisrunde Messblende mit 7 mm Durchmesser vor, was einer dunkeladaptierten menschlichen Pupille entspricht. Das heißt, gemäß dieser Norm dürfen die eingangs beschriebenen Laserscanner streng genommen nur mit einer Laserleistung betrieben werden, bei der das menschliche Auge nicht gefährdet ist. Es sind auch Lösungen bekannt, bei denen der Laserscanner abgeschaltet wird, sobald ein zuvor definierter Messbereich von einem Menschen betreten wird.

Auf Grund der kreisförmigen Abtastung der Umgebung hängt die maximal zulässige Laserleistung vom Abstand des Messojekts ab. Die beschriebene 7mm-Messblende überdeckt vom Zentrum der Ablenkung gesehen im Nahbereich einen wesentlich größeren Winkelbereich und wird folglich bei einer gegebenen Ablenkgeschwindigkeit des Laserstrahls länger getroffen als in größerer Entfernung. Die Divergenz der Laserstrahlung hat darauf lediglich einen zu vernachlässigenden Einfluss, da für Messzwecke stets Laserstrahlung geringer Divergenz genutzt werden. Somit lässt sich für eine gewisse Laserleistung und Ablenkgeschwindigkeit eine maximal zulässige Überstreichdauer der Messblende und daraus eine minimale Blendenentfernung berechnen. Diese minimale Blendenentfernung ist die Distanz, die im Folgenden als Minimalabstand bezeichnet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Laserscanners und einen Laserscanner zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, bei denen eine Gefährdung durch Laseremissionen auf ein vertretbares Risiko minimiert ist.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Laserscanners durch die Merkmale des Patentanspruchs 6 gelöst.

Erfindungsgemäß wird zunächst in Abhängigkeit von der emittierten Laserleistung ein Mindestabstand ermittelt, den ein Messobjekt von der Laserlichtquelle einhalten muss. Dieser vorbestimmte Mindestabstand wird mit dem während der Messung erfassten Objektabstand verglichen und die Laserlichtquelle ausgeschaltet oder deren abgegebene Laserleistung verringert, wenn der erfasste Objektabstand geringer als der vorbestimmte Mindestabstand ist. In der allgemeinsten Form kann diese Verringerung von Hand nach Abgabe einer entsprechenden Warnung von der Maschinensteuerung oder automatisch erfolgen.

Im Fall einer automatischen Verringerung wird über eine Steuereinheit die Laserleistung gegenüber dem ursprünglich eingestellten Wert verringert und in Abhängigkeit davon ein neuer Mindestabstand berechnet und in der Folge die erfassten Objektabstände – für jedes Pixel – mit dem neuen Mindestabstand verglichen. Sollte dann wieder der Mindestabstand unterschritten werden, wird die Laserleistung weiter verringert, bis der berechnete Mindestabstand eingehalten wird oder die minimale Laserleistung erreicht ist – die Laserlichtquelle wird dann automatisch abgeschaltet. Durch dieses mehrstufige Verringern der Laserleistung bis der davon abhängige Mindestabstand eingehalten wird, kann zuverlässig eine Gefährdung einer versehentlich in den Messbereich eintretenden Person durch den Laserstrahl vermieden werden.

Zur Information der Bedienperson wird vorzugsweise bei Verringern der Laserleistung oder Abschalten der Laserlichtquelle in einem Display eine entsprechende Meldung angezeigt.

Der erfindungsgemäße Laserscanner ist mit geeigneten Einrichtungen ausgeführt, um den Mindestabstand in Abhängigkeit von der eingestellten Laserstrahlleistung zu berechnen und den bei der Abtastung gemessenen Objektabstand mit dem berechneten Mindestabstand zu vergleichen und die Laserleistung zu verringern oder die Laserlichtquelle abzuschalten, wenn der Mindestabstand – gegebenenfalls auch nach mehrfacher Verringerung der Laserleistung – immer noch unterschritten wird.

In dem Fall, in dem der Mindestabstand nur kurzfristig unterschritten wurde, da sich beispielsweise ein Störobjekt wieder aus dem Messbereich herausbewegt hat, kann die Laserleistung nach einer gewissen Zeit, in der stets lediglich größere Objektentfernungen gemessen wurden als im Mindestabstand vorgegeben sind, wieder erhöht werden.

Der erfindungsgemäße Laserscanner ist vorzugsweise mit einer Anzeige zum Anzeigen eines Hinweises, dass der Mindestabstand nicht eingehalten ist und deshalb die Laserstrahlleistung manuell zu verringern ist oder automatisch heruntergestuft wird ausgeführt.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines Ablaufdiagramms erläutert, das eine manuelle und eine automatische stufenweise Verringerung der Laserleistung bei Unterschreiten eines Mindestabstands zeigt.

Es sei angenommen, dass nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein 3D-Laserscanner betrieben wird, wie er in der DE 202 08 077 U1 beschrieben ist. Ein derartiger 3D-Laserscanner hat einen um eine vertikale Achse verschwenkbaren Messkopf, an dem ein Drehkopf gelagert ist, der um eine horizontale Drehachse umlaufend drehbar ist. Der Drehkopf nimmt einen Spiegel eines Strahlablenkungssystems auf, über den der von einer Laserlichtquelle, beispielsweise einer Laserdiode, abgegebener Laser-Messstrahl auf ein Messobjekt gerichtet wird. Durch die drehbare Lagerung des Drehkopfs läuft dieser Messstrahl um die horizontale Drehachse um, so dass praktisch eine vertikale Ebene abgetastet wird. Durch Verschwenkung des Messkopfs um 180° können dann – abgesehen von einem vergleichsweise geringen Totwinkel – nahezu 360° abgetastet werden. Der vom Messobjekt reflektierte Laserstrahl wird über den Drehkopf empfangen, vom Spiegel umgelenkt und von einer Auswerteeinheit mit einem optischen Empfänger ausgewertet, wobei aus der Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal und dem über den Empfänger detektierten Streulicht auf die Laufzeit des Laserlichts und somit die Entfernung des Messobjekts (Objektabstand) vom Scanner zurückgeschlossen werden kann, während die Amplitude des detektierten Streulichts dem Intensitätswert entspricht und von der Reflektivität und der Entfernung des Messobjekts abhängt. Es lassen sich somit Entfernungsbilder als Grauwertbilder 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-Codierung ist dem menschlichen Auge sehr vertraut und macht die Beurteilung von aufgenommenen Laserdaten vor Ort ohne aufwendige Datenverarbeitung relativ einfach.

Die Laserstrahlquelle wird standardweise mit einer optischen Leistung von beispielsweise 24 bis 30mW (CW-Leistung) betrieben.

Trotz dieser geringen Leistung darf der Laserstrahl nicht für längere Zeit direkt auf das menschliche Auge auftreffen. Erfindungsgemäß werden somit Maßnahmen ergriffen, um eine direkte und andauernde Beaufschlagung einer Person durch den Laserstrahl dieser Leistung zu vermeiden, wenn diese versehentlich den abgetasteten Bereich betritt. Um sowohl innerhalb eines ausgedehnten Entfernungsbereichs mit möglichst großer Laserleistung operieren zu können und gleichzeitig den überwachten Laserbereich nicht zu groß werden zu lassen (nahe Objekte können nicht vermessen werden, da das im folgenden näher erläuterte System nicht zwischen Menschen und Gegenständen unterscheiden kann), wird vorzugsweise ein mehrstufiges Verfahren eingesetzt. Jeder "Stufe" ist eine bestimmte Laserleistung und somit eine Mindestentfernung zugeordnet, die – zur Einhaltung der geforderten Lasersicherheitsklasse – nicht unterschritten werden darf. Während des Vermessungsvorganges werden alle vom Laserscanner erfassten Entfernungswerte überwacht. Befindet sich ein Objekt, sei es ein Gegenstand oder eine Person, näher an der Laserlichtquelle als die entsprechende Mindestentfernung dies erlaubt, wird die Laserlichtquelle auf eine geringere Laserleistung umgeschaltet, was der nächsten "Stufe" entspricht.

Diese Stufe wird wiederum überwacht und bei Unterschreiten der Mindestentfernung wird auf eine weitere Stufe mit noch kleinerem Mindestabstand und noch geringerer emittierter Laserleistung umgeschaltet.

Es entstehen somit verschiedene Modi, in denen mit stufenweise reduzierten Laserleistungen operiert wird und denen ebenfalls stufenweise reduzierte Mindestenfernungen zur Laserlichtquelle zugeordnet sind. Die höchste Stufe, das heißt die Stufe mit der minimalen Gefährdung, weist eine sehr geringe Mindestentfernung von 0 bzw. 100 mm (gemäß Norm) zur Laserlichtquelle sowie die geringste emittierte Laserleistung auf – diese geringste emittierte Laserleistung entspricht in der Regel einem Abschalten des Lasers.

Einzelheiten des Verfahrens werden nunmehr anhand des Ablaufschemas erläutert. Bei Inbetriebnahme des 2D- oder 3D-Laserscanners wird zunächst im Programmpunkt "Moduswahl" bestimmt, ob die Messbereichsüberwachung "automatisch" oder "manuell" erfolgen soll. Zu Beginn der automatischen Messung wird in der Regel zunächst die maximale Laserleistung ("Ausgangsleistung P_max") eingestellt und in Abhängigkeit von dieser maximalen Ausgangsleistung der erforderliche Sicherheitsabstand D_min berechnet. Anschließend erfolgt die Abtastung "Scan", wobei für den Messobjektabstand D_mess Jedes Pixels ein Vergleich mit dem Mindestabstand D_min erfolgt. In dem Fall, in dem der Objektabstand D_mess kleiner als der Mindestabstand D_min ist, das heißt, in dem Fall in dem der Mindestabstand unterschritten wird, erfolgt sofort ein Abbruch der Messung und eine Reduzierung der Laserleistung P_out, die dann geringer als die zuvor eingestellte maximale Laserleistung P_max ist. In Abhängigkeit von dieser neu eingestellten Laserleistung P_out erfolgt dann wiederum die Berechnung des Sicherheitsabstandes D_min und die Abtastung "Scan" erfolgt nunmehr mit der verringerten Laserleistung. Der vorbeschriebene Zyklus wird so lange wiederholt, bis für jedes Pixel der erfasste Objektabstand D_mess größer als der in Abhängigkeit von der reduzierten Laserleistung P_out berechnete Mindestabstand D_min ist. Das heißt, die Laserleistung wird so lange reduziert, bis der erforderliche Sicherheits- oder Mindestabstand eingehalten werden kann.
Falls das störende Objekt so nahe am Scanner angeordnet ist, das auch bei Reduzierung der Laserleistung auf ein Minimum (P_min) der Mindestabstand noch immer unterschritten ist, wird die Abtastung abgebrochen.
In dem Fall, in dem der Mindestabstand eingehalten wird, wird die Abtastung dann mit der entsprechend eingestellten Stufe der Laserleistung durchgeführt – auf diese Weise ist gewährleistet, dass eine versehentlich in den abgetasteten Bereich eintretende Person nicht durch das Laserlicht verletzt werden kann.
In dem Fall, in dem der Mindestabstand manuell überwacht werden soll, werden – wie beim automatischen Verfahren – zunächst die geeignete maximale Laserleistung P_max eingestellt und der entsprechende Mindestabstand D_min ermittelt. Die Abtastung wird gestartet und der Objektabstand D_mess für jedes Pixel ermittelt. Falls der Mindestabstand D_min eingehalten wird, erfolgt die Scannung mit der eingestellten maximalen Laserleistung P_max In dem Fall, in dem der Mindestabstand D_min nicht eingehalten wird, wird der Laser abgeschalten, der Scan abgebrochen und von der Steuereinheit eine Fehlermeldung ausgegeben, die beispielsweise akustisch und/oder über ein Display angezeigt wird. Die Bedienperson kann dann entscheiden, ob die Laserleistung reduziert wird oder ob sie das Störobjekt aus dem Messbereich entfernt. Nach Entfernen des Störobjekts oder Reduzierung der Laserleistung P_out wird erneut der Sicherheitsabstand D_min bestimmt und mit den gemessenen Objektabständen verglichen und der Zyklus beginnt von Neuem. Bei Verringerung der Laserleistung P_out wird sicherheitshalber noch überprüft, ob diese verringerte Laserleistung größer als ein vorbestimmter Minimalwert P_min der Laserleistung ist. Bei Unterschreiten dieses Minimalwertes wird die Abtastung abgebrochen.
Die Besonderheit dieses vorbeschriebenen Verfahrens liegt somit darin, dass die Abtastung nicht einfach – wie bei bekannten Lösungen – unterbrochen wird sondern es wird manuell oder automatisch die Laserleistung stufen weise reduziert, um den Mindestabstand soweit zu verringern, dass er geringer als der Abstand des Störobjekts zum Laserscanner ist und somit der Scan erfolgreich beendet werden kann. Nur in dem Fall, in dem dieses Störobjekt so nahe an der Laserlichtquelle angeordnet ist, dass auch bei maximaler Verringerung der Laserleistung der Mindestabstand noch unterschritten ist, wird die Abtastung ganz abgebrochen. Durch diese Vorgehensweise lässt sich die Betriebssicherheit des Laserscanners gegenüber herkömmlichen Lösungen wesentlich erhöhen, wobei durch die Reduzierung der Laserleistung auch dann noch eine Abtastung bei Berücksichtigung der Sicherheitsnormen möglich ist, wenn sich ein Störobjekt innerhalb eines ursprünglich definierten Sicherheitsabstandes befindet, dies ist bei herkömmlichen Lösungen nicht möglich.
Offenbart ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines Laserscanners mit einem Strahlablenkungssystem für einen von einer Laserlichtquelle abgegebenen Laserstrahl, wobei in Abhängigkeit von der Laserleistung der Laserlichtquelle ein einzuhaltender Mindestabstand ermittelt wird. Während der Messung wird der erfasste Objektabstand mit diesem Mindestabstand verglichen und die Laserlichtquelle ausgeschaltet und/oder die Laserleistung verringert, wenn der erfasste Objektabstand geringer als der Mindestabstand ist. Offenbart ist des weiteren ein Laserscanner zur Durchführung dieses Verfahrens.

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines Laserscanners mit einem Strahlablenkungssystem für einen von einer Laserlichtquelle abgegebenen Laserstrahl, wobei in Abhängigkeit von der Laserleistung der Laserlichtquelle ein einzuhaltender Mindestabstand ermittelt wird, gekennzeichnet durch die Schritte: – Vergleich eines während einer Messung erfassten Objektabstands (D_mess) mit dem Mindestabstand (D_min); – Ausschalten der Laserlichtquelle und/oder Verringern der Laserleistung (P_out) wenn der erfasste Objektabstand (D_mess) geringer als der Mindestabstand (D_min) ist.
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei die Laserleistung (P_out) über eine Steuereinheit verringert und ein entsprechend neuer verringerter Mindestabstand (D_min) berechnet wird und in der Folge die erfassten Objektabstände (D_mess) mit dem neuen Mindestabstand (D_min) verglichen werden, wobei dieser Zyklus so lange wiederholt wird, bis der berechnete Mindestabstand eingehalten oder die Minimallaserleistung (P_min) erreicht ist.
Verfahren nach Patentanspruch 2, wobei bei Erreichen der Minimallaserleistung (P_min) die Laserlichtquelle abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei bei Verringern der Laserleistung (P_out) oder Abschalten der Laserlichtquelle eine entsprechende Meldung angezeigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Laserleistung (P_out) nach einer gewissen Zeit wieder erhöht wird, wenn der Objektabstand (D_mess) größer als der aktuelle und der zuvor eingestellte Mindestabstand (D_min) ist.
Laserscanner zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit einer Laserlichtquelle zur Abgabe eines Lasermessstrahls und mit einem Strahlablenksystem zur räumlichen Ablenkung dieses Messstrahls, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zum Vergleichen eines vorbestimmten, von der Laserstrahlleistung (P_out) abhängigen Mindestabstands (D_min) mit einem erfassten Objektabstand (D_mess) und zum Abschalten der Laserlichtquelle oder Verringern der Laserleistung (P_out) wenn der Mindestabstand (D_min) größer als der Objektabstand (D_mess) ist.
Laserscanner nach Patentanspruch 6, mit einer Einrichtung zum Berechnen eines Mindestabstands (D_min) in Abhängigkeit von der Laserstrahleistung (P_out). Laserscanner nach Patentanspruch 7, mit einem Speicher zum Ablegen von Mindestabständen (D_min) in Abhängigkeit von der Laserleistung (P_out) und einer Einrichtung zum Auslesen eines Mindestabstands (D_min) in Abhängigkeit von der eingestellten Laserleistung (P_out).
Laserscanner nach einem der Patentansprüche 6 bis 8, mit einer Anzeige zum Anzeigen eines Hinweises, dass der Mindestabstand (D_min) nicht eingehalten ist und die Laserstrahleistung (P_out) verringert oder die Laserlichtquelle abgeschaltet wird.