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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermessen des Innenraums eines
langgestreckten Körpers
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bei
der Planung des Innenausbaus eines Flugzeugs benötigt man eine genaue Kenntnis
der dreidimensionalen Geometrie des Rumpfes oder Rumpfsegments,
in dem die Innenausbauten erfolgen sollen.
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Aus
offenkundiger Vorbenutzung sind sogenannte Laserscans von Innenräumen bekannt.
In der Regel wird dabei ein kugelförmiger Scan durchgeführt, bei
dem ein stationärer
Laser um zwei Achsen geschwenkt wird und der Messstrahl den Innenraum in
einem sogenannten Kugelscan abtastet. Entweder aus der Laufzeit
des reflektierten Messstrahls oder bevorzugt aus dessen Interferenz
können
Informationen über
die Entfernung des Reflektionsortes gewonnen werden. Bei einem typischerweise
in etwa zylindrischen Innenraum bspw. eines Flugzeugs unterscheidet
sich die Qualität
der so gewonnenen Messpunkte stark, da Messungen mit flachem Auftreffwinkel
des Messstrahls oder einem größeren Abstand zwischen
Ort des Lasers und Auftreffpunkt des Messstrahls typischerweise
einen größeren Fehler
aufweisen.
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Ebenfalls
aus offenkundiger Vorbenutzung ist eine sogenannte Profilmessung
oder Profilscan bekannt. Der Messstrahl wird bei einer solchen Profilmessung
nur um eine Achse in einer Ebene rotieren gelassen, typischerweise
ist es eine Ebene senkrecht zur Längsachse des zu vermessenen
Innenraums. Auf oder parallel zu dieser Längsachse wird der Messlaser
während
der Profilmessungen oder zwischen Profilmessungen verfahren. Bei
einem solchen Profilscan trifft der Messstrahl in der Regel senkrecht
oder angenähert
senkrecht auf die zu vermessenden Flächen, so dass eine verbesserte
Messqualität
erzielt wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art zu schaffen, das eine einfache und qualitativ hochwertige
Vermessung insbesondere langgestreckter Innenräume ermöglicht. Die Erfindung löst diese
Aufgabe dadurch, dass die Scanebene um wenigstens eine Achse aus
dem globalen Koordinatensystem des Innenraums gekippt ist.
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Erfindungsgemäß kann effizient
und mit weitgehend homogener Auflösung ein typischerweise in etwa
zylindrischer Innenraum beispielsweise eines Flugzeugs vermessen
werden. Da sowohl Auftreffwinkel als auch Auftreffentfernung des
Messstrahls auf die zu vermessenen Bereiche geringeren Schwankungen
unterliegen als beim Kugelscan des Standes der Technik, hat das
erfindungsgemäße Verfahren
einen abschätzbaren
und verhältnismäßig kleinen
Messfehler. Die durch die Messungen erhaltenen Punktwolken selbst
sind datentechnisch unhandlich und nur schwer zu handhaben. Erfindungsgemäß werden
daraus bevorzugt durch ein sogenanntes Meshing sogenannte Netze
erzeugt, die den vermessenen Innenraum beschreiben und als Grundlage
für die
Weiterverarbeitung genutzt werden. Die Erfindung erlaubt durch ihren
homogenen und verhältnismäßig kleinen
Fehler sowie durch ein weitgehendes Ausleuchten auch von Hinterschneidungen,
wie nachfolgend beschrieben, die Bereitstellung einer guten Datengrundlage
für die
Berechnung eines solchen Netzes.
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Zunächst seien
einige im Rahmen der Erfindung verwendete Begriffe erläutert. Das
erfindungsgemäße Verfahren
dient zum Vermessen des Innenraums eines langgestreckten Körpers. Bei
diesem langgestreckten Körper
kann es sich beispielsweise um den Rumpf eines Flugzeuges, um einen
Bahnwaggon oder dergleichen handeln. Insbesondere kann es sich somit
um die Innenräume
von Verkehrsmitteln handeln. In diesem Innenraum wird ein gedachtes
rechtwinkliges Koordinatensystem aufgespannt. Die Längsachse
x dieses Koordinatensystems weist üblicherweise in Längsrichtung,
bei einem Verkehrsmittel in der Regel in die Fahrtrichtung. Bei der
y-Achse handelt es sich in der Regel um die Horizontalachse senkrecht
zur x-Achse, die beispielsweise bei einem Flugzeug in Richtung der
Flügel weist.
Die z-Achse ist in der Regel die Hochachse (vertikale Achse). Dieses
Koordinatensystem wird als globales Koordinatensystem des Innenraums
bezeichnet.
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Erfindungsgemäß wird ein
Laserprofilscan durchgeführt.
Der Begriff bezeichnet einen Vorgang, bei dem der Messstrahl des
Lasers um eine Achse gedreht wird und somit in einer Ebene eine
Messung durchführt.
Um ein vollständiges
Bild des Innenraums zu erhalten, wird während oder zwischen Profilscans
der Laserscanner durch den Innenraum gefahren, beispielsweise parallel
zur x-Achse. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Scanebene um wenigstens eine Achse aus dem globalen Koordinatensystem
des Innenraums gekippt ist. Dies bedeutet, dass die Scanebene sich
nicht deckt mit einer von den Achsen des globalen Koordinatensystems aufgespannten
Ebene, beispielsweise nicht mit der in der Regel vertikalen yz-Ebene.
Eine Kippung um wenigstens eine Achse bedeutet, dass ein Verkippen um
wenigstens eine Achse dieses globalen Koordinatensystems erfolgt
ist. Ein Verkippen um die y-Achse
verkippt die Scanebene beispielsweise aus der vertikalen yz-Ebene
des globalen Koordinatensystems. Erfindungsgemäß kann die Scanebene um zwei
oder um alle drei Achsen dieses globalen Koordinatensystems verkippt
sein. Bevorzugt ist beispielsweise eine Verkippung um die y- und
z-Achse des globalen Koordinatensystems. Ein zusätzliches Kippen um die x-Achse
kann beispielsweise sinnvoll werden, falls eine konstruktionsbedingte
Abschattung des Messstrahls durch das Scannergehäuse die vorgesehene Messung
stört.
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Dieses
Verkippen der Scanebene hat den Vorteil, dass auf diese Weise etwaige
Hinterschnitte in der abzutastenden Oberfläche besser ausgeleuchtet werden
können.
Durch die schräge
Ausrichtung der Scanebene relativ zur yz-Ebene treffen die Messstrahlen
auf die häufig
in etwa zylindrische Oberfläche
des Innenraums nicht rechtwinklig, sondern unter einem Winkel auf,
der von der Verkippung des Scanebene abhängt. Dieser Winkel ist jedoch – anders
als bei einem sogenannten Kugelscan – im wesentlichen über den
gesamten zu vermessenden Innenraum gleichbleibend, so dass auch
die Messgenauigkeit für
alle Bereiche des Innenraums im wesentlichen übereinstimmt.
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Durch
das in der Regel schräge
Auftreffen des Messstrahls auf die zu vermessende Fläche des Innenraums,
können
etwaige Hinterschnitte besser ausgeleuchtet und messtechnisch mit
erfasst werden. Solche Hinterschnitte können beispielsweise Aufnahmen
oder sonstige Befestigungseinrichtungen für im Innenraum zu montierende
Ausrüstungs-
oder Einrichtungsgegenstände
sein. Da die Vermessung des Innenraums in der Regel der Vorbereitung
bzw. Planung eines Innenausbaus dient, hat die messtechnische Erfassung
solcher für
die Montage relevanter Bereiche des Innenraums häufig eine besondere Bedeutung.
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Der
Laserscanner wird erfindungsgemäß durch
den Innenraum gefahren. Die Verfahrrichtung orientiert sich bevorzugt
an der Längsachse
x des Innenraums und kann zu dieser Längsachse im wesentlichen parallel
sein. Bevorzugt handelt es sich um eine Gerade, erfindungsgemäß ist jedoch
auch ein von einer Geraden abweichendes Verfahren denkbar. Die Generalrichtung
des Verfahrweges wird sich jedoch auch bei einem von einer Geraden
abweichenden Verfahren in der Regel an der Längsachse x des Innenraums orientieren.
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Das
Verfahren des Laserscanners kann erfindungsgemäß durch mehrfaches manuelles
Umsetzen des Laserscanners innerhalb des zu vermessenden Innenraums
zwischen den Laserscans erfolgen. Bevorzugt ist es jedoch, wenn
der Laserscanner eine fahrbare Einrichtung wie beispielsweise ein
Fahrzeug aufweist bzw. darauf montiert ist. Ein solches Fahrzeug
kann frei beweglich durch den Innenraum ausgeführt sein, beispielsweise frei
auf dem Kabinenboden eines Flugzeuginnenraums fahren. Bevorzugt
kann es jedoch sein, wenn eine definierte Führung bzw. ein definierter
Fahrweg für
dieses Fahrzeug vorgesehen ist. Dieser Fahrweg kann bereits vorhandene
Einrichtungen des Innenraums nutzen, beispielsweise die Sitzschienen
zur Montage von Sitzen auf dem Kabinenboden eines Flugzeugs. Es kann
sich jedoch auch um einen temporär
im zu vermessenden Innenraum installierbaren Fahrweg handeln, beispielsweise
um Schienen, durch den Innenraum gespannte Seile oder dergleichen.
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Für die Auswertung
der Messergebnisse muss der Ort des Laserscanners während einer
Messung im Koordinatensystem des zu vermessenden Innenraums bekannt
sein. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß eine im Stand der Technik
bereits bekannte Ortsverfolgung des Laserscanners im Innenraum verwendet.
Bei einem manuellen Festsetzen des Laserscanners zwischen den Messungen
kann der Laserscanner für
jede Messung an einem vorher definierten und damit bekannten Ort
positioniert werden. Bei der bevorzugten Anordnung des Laserscanners
auf einem Fahrzeug können
ein Teil der Ortskoordinaten des Laserscanners bereits durch die schienengebundene
Führung
des Fahrwegs vorgegeben sein. Weitere Ortskoordinaten auf dem Verfahrweg
können
beispielsweise bestimmt werden durch mechanische Systeme, die beispielsweise Markierungen
auf dem Fahrweg erkennen und auswerten oder Raddrehgebersensoren
an dem Fahrzeug aufweisen. Zusätzlich
können
beispielsweise Neigungssensoren vorhanden sein, die ein während des
Verfahrens des Fahrzeugs auftretendes Neigen, Kippen oder Gieren erkennen.
Durch die Erfassung auch solcher Neige-, Kipp- und Gierbewegungen kann
die Messgenauigkeit deutlich erhöht
werden.
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Eine
Ortsverfolgung des Laserscanners kann ferner durch im Stand der
Technik bekannte optische Systeme wie beispielsweise ein sogenanntes Lasertracking
erfolgen. Möglich
ist ferner eine Ortsverfolgung durch akustische oder sonstige elektromagnetische
Wellen, beispielsweise mittels Ultraschall, Radar, Satellitenortungssystemen
wie GPS bzw. Differential-GPS oder dergleichen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
wird der Laserscanner wenigstens zweimal durch den Innenraum gefahren,
und die Scanebene bei beiden Scans um einen unterschiedlichen Winkel
aus dem Koordinatensystem beispielsweise aus der yz-Ebene des Koordinatensystems
des Innenraums, gekippt. Dies bedeutet, dass bei beiden Scans der
Messstrahl die zu vermessende Fläche
aus unterschiedlichen Winkeln trifft. Durch einen solchen wenigstens
zweifachen Scan mit unterschiedlichen Scanebenen können komplexere
Hinterschnitte oder vergleichbare Strukturen erfindungsgemäß vollständig oder
weitgehend vollständig
ausgeleuchtet und damit vermessen werden. Im Rahmen dieser Ausführungsform
bedeutet der Begriff „wenigstens
zweimal durch den Innenraum fahren”, dass der Laserscanner unter
Verwendung der beiden genannten unterschiedlichen Scanebenen den
Innenraum abtastet. Der Laserscanner kann dabei physisch zweimal
hintereinander durch den Innenraum gefahren werden, wobei er bei
den beiden Fahrvorgängen
auf die beiden unterschiedlichen Scanebenen mit unterschiedlichen
Kippwinkeln aus der yz-Ebene des Koordinatensystems des Innenraums
eingestellt wird. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass
der Laserscanner physisch lediglich einmal durch den Innenraum bewegt
wird und dabei alternierend (bevorzugt schnell alternierend im Verhältnis zu
der Verfahrgeschwindigkeit des Laserscanners) eine Abtastung des
Innenraums in den wenigstens zwei unterschiedlichen Scanebenen vorgenommen
wird. Bei einem diskontinuierlichen Verfahren des Laserscanners
zwischen den Scanvorgängen
ist es möglich,
dass der Laserscanner von einem einzigen Ort aus zwei Profilscans in
den unterschiedlichen Scanebenen durchführt und anschließend in
seine nächste
Messposition verfahren wird. Alle diese Varianten sind umfasst von
der Formulierung „wenigstens
zweimal durch den Innenraum fahren”. Bei einem diskontinuierlichen
Verfahren des Laserscanners wird das Verfahren bevorzugt gestoppt,
während
ein Scan in einer Ebene stattfindet. Bei dieser Arbeitsweise werden
Ebenen gescannt; der Abstand zweier Scanebenen entspricht dem Verfahrweg
des Laserscanners zwischen zwei Scanvorgängen. Durch die Konstruktion
eines Laserscanners kann unter Umständen nicht das gesamte 360°-Segment einer Scanebene überstrichen
werden, bedingt beispielsweise durch einen Steg am Scannergehäuse kann
der Scanwinkel auf beispielsweise etwa 320° eingeschränkt sein. In diesem Fall wird
der Abschattungsbereich des Laserscanners vorzugsweise so positioniert,
dass die Abschattung zu einem messtechnisch nicht interessierenden
Bereich des Innenraums hin erfolgt, beispielsweise zum Flugzeugboden.
Wenn das Abtasten der Scanebenen während eines kontinuierlichen
Verfahrens des Laserscanners erfolgt, wird im Ergebnis eine Helix abgetastet.
In der Regel ist aus praktischen Gründen (Geschwindigkeit) eine
solche Helix-Abtastung
bevorzugt.
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Die
Scanebene kann erfindungsgemäß um einen
Winkel von 5 bis 50°,
vorzugsweise 5 bis 30°, weiter
vorzugsweise 5 bis 20°,
besonders bevorzugt 5 bis 15° aus
der yz-Ebene des Koordinatensystems des Innenraums gekippt sein.
Das Kippen erfolgt bevorzugt mindestens um die y-Achse, also die
Horizontalachse senkrecht zur Längsrichtung
x. Ein Winkel von 5 bis 15°,
insbesondere beispielsweise etwa 10°, ist bevorzugt, da sich dieser
Winkelbereich besonders eignet, um einerseits übliche Hinterschneidungen hinreichend
auszuleuchten und andererseits ein den Messfehler erhöhendes Auftreffen
des Messstrahls auf die zu vermessenden Flächen des Innenraums in einem
sehr flachen Winkel zu vermeiden. Abhängig von der gewünschten
Messgenauigkeit einerseits und Art und Tiefe etwaiger auszuleuchtender Hinterschneidungen
andererseits kann der Winkel angepasst werden. Bevorzugt ist die
Scanebene bei den beiden Scans in unterschiedlicher Richtung der x-Achse
aus der yz-Ebene gekippt. Beispielsweise kann sie bei einem ersten
Scan um 10° nach
vorne (bei einem Verkehrsmittel in Fahrt- bzw. Flugrichtung) aus
der yz-Ebene gekippt sein, bei einem zweiten Scan um den gleichen
Betrag des Kippwinkels nach hinten.
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Übliche Verkehrsmittel
wie beispielsweise Flugzeuge sind häufig spiegelsymmetrisch zu
einer xz-Ebene ihres Koordinatensystems, also einer durch Längsachse
und Hochachse verlaufenden Spiegelebene. Es ist im Rahmen der Erfindung
möglich,
den Verfahrweg des Laserscanners mittig in dem Innenraum, also in
der Spiegelebene verlaufend, anzuordnen. Erfindungsgemäß ist es
jedoch auch möglich,
bei den beiden Scans den Scanner auf unterschiedlichen Fahrwegen,
beispielsweise auf unterschiedlichen Seiten einer solchen Spiegelebene,
soweit sie vorhanden ist, zu verfahren. Insbesondere ist es möglich, dass
die beiden Verfahrwege zueinander parallele Geraden sind, die im
Wesentlichen spiegelsymmetrisch zu der Spiegelebene xz des Innenraums
verlaufen. Erfindungsgemäß ist es
jedoch auch möglich,
dass die beiden Verfahrwege bzw. Verfahrachsen unterschiedliche
Abstände
von der Mittellinie des Innenraums aufweisen. Bei einem spiegelsymmetrischen
Innenraum verläuft
diese Mittellinie in der Spiegelebene xz des Innenraums. Dieses
Verfahren des Laserscanners auf zwei Verfahrwegen beabstandet von
der Mittelachse des Innenraums erleichtert das Ausleuchten auch
solcher Hinterschneidungen, die seitlich (in Richtung der y-Achse)
weisen.
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Eine
erfindungsgemäße Anordnung
zur Durchführung
des Verfahren kann eine Basis mit darauf angeordneten Verfahrwegen
(beispielsweise Schienen) für
einen Laserscanner aufweisen, die Mittel zur Verbindung mit den
Sitzschienen im Kabinenboden eines Verkehrsmittels wie beispielsweise
eines Flugzeugs aufweisen. Auf diese Weise kann der Fahrweg des
Laserscanners schnell und einfach in eine definierte Position in
einem Flugzeug montiert werden. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, wenn der
Laserscanner das Messverfahren autonom und ohne Anwesenheit von
Bedienungspersonal durchführen
kann. Dies vermeidet, dass beispielsweise durch in der Flugzeugkabine
anwesendes Bedienungspersonal Verwindungen oder sonstige Verformungen
der zu vermessenden Struktur auftreten. Weiter ist es bevorzugt,
wenn der Laserscanner autonom auch im Hinblick auf die Energieversorgung
ist und eine Energiequelle wie beispielsweise eine Batterie mit
sich führt.
Alternativ kann eine Energieversorgung beispielsweise über den
Fahrweg (beispielsweise die Schienen) erfolgen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Darin
zeigen:
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1:
schematisch einen Anschnitt einer Flugzeugkabine mit einer Vorrichtung
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2:
einen Ausschnitt aus 1;
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3:
schematisch die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ausleuchtung von
Hinterschnitten;
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4:
einen Ausschnitt aus 3.
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1 zeigt
in einem Anschnitt den Innenraum einer Flugzeugkabine mit dem Kabinenboden 1 und
der Außenhaut 2 des
Rumpfes. Zur Vorbereitung eines Innenausbaus soll diese Flugzeugkabine
vermessen werden.
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Auf
dem Kabinenboden 1 sind für die Durchführung der
Vermessung zwei Führungsschienen 3, 4 angeordnet,
die jeweils im wesentlichen parallel zur Längsachse der Kabine verlaufen.
Die beiden Führungsschienen 3, 4 sind
auf unterschiedlichen Seiten der in Richtung der Längsachse
laufenden Symmetrieebene angeordnet, die in der xz-Ebene durch die Flugzeugkabine
läuft.
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An
einem bekannten Referenzort in der Flugzeugkabine wird stationär ein optisches
Ortungssystem wie beispielsweise ein Lasertracker 5 angeordnet.
Er dient als Referenz zur Feststellung des Ortes eines Laserscanners 6,
der fahrbar auf einem selbstfahrenden Wagen 7 angeordnet
ist. Der Laserscanner 6 ist zur Durchführung sogenannter Profilscans ausgebildet,
bei denen der Messstrahl für
den Messvorgang sukzessive um eine Achse senkrecht zur Strahlrichtung
rotiert und somit eine Messung in einer Ebene 8 durchgeführt wird.
Insbesondere in der 2 ist zu erkennen, dass diese
Scanebene 8 gegenüber
der durch die y-Achse und z-Achse des Koordinatensystems des Innenraums
aufgespannten Ebene 9 um einen Winkel α geneigt ist.
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Zur
Durchführung
einer Vermessung wird der Wagen 7 auf ein Ende der Führungsschiene 3 gesetzt.
Es erfolgt dann eine Abtastung des Innenraums in der Scanebene 8.
Im Zuge des langsamen Verfahrens des Wagens 7 entlang der
Schiene 3 wird diese Scanebene 8 durch den gesamten
zu vermessenden Innenraum gefahren, so dass dieser vermessen wird.
Der Ort des Wagens 7 während
des Messvorgangs wird mittels des Lasertrackers 5 bestimmt.
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In
einem zweiten Schritt wird der Wagen 7 auf die parallel
verlaufende Führungsschiene 4 gesetzt
und der Messvorgang wiederholt. Bei diesem zweiten Messvorgang wird
die Scanebene 8 verkippt, so dass sie jetzt mit der yz-Ebene 9 den
Winkel –α einschließt. Bei
diesem zweiten Scanvorgang wird der Innenraum somit mit einer unterschiedlichen Scanebene
vermessen.
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In 3 und 4 ist
zu erkennen, dass eine hinterschnittene Struktur 10 im
Innenraum des Flugzeugs weitgehend vollständig ausgeleuchtet und damit
vermessen werden kann, wenn zwei Scans mit zueinander geneigten
Scanebenen 8 erfolgen.
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In
den 3 und 4 ist eine hinterschnittene
Struktur 10 an der Kabinendecke zu erkennen. Bei dem ersten
Messvorgang, bei dem die Scanebene 8 mit der yz-Ebene 9 den
Winkel α einschließt, wird
ein Teil dieser hinterschnittenen Struktur 10 abgeschattet
und dementsprechend nicht vollständig ausgeleuchtet
und vermessen, wie insbesondere in 4 zu erkennen
ist. Bei dem zweiten Messvorgang schließt die Scanebene 8 mit
der yz-Ebene 9 den Winkel –α ein, so dass jetzt der zuvor
abgeschattete Bereich ausgeleuchtet und vermessen wird, wie in der
rechten Hälfte
der 4 zu erkennen ist. Durch das zweifache Vermessen
mit jeweils unterschiedlich geneigten Scanebenen ist somit die hinterschnittene
Struktur 10 vollständig
oder doch zumindest weitestgehend erfasst.
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Die
im Zuge des Scanvorgangs erhaltenen Scandaten können entweder im Laserscanner 6 gespeichert
und nach Beendigung der Messung zur Auswertung ausgelesen werden
oder alternativ während
der Messung, bevorzugt drahtlos, an eine Auswerteeinheit übertragen
werden. Die erhaltenen Messpunkte können dann mittels der Tracking-Informationen
des Lasertrackers 5 in das Koordinatensystem des zu vermessenden
Innenraumes umgerechnet werden. Aus den so erhaltenen Punktwolken kann
dann bevorzugt in einer Netzdarstellung eine Errechnung der dreidimensionalen
Koordinaten des zu vermessenden Innenraumes erfolgen.