DE102009035337A1 - Verfahren zum optischen Abtasten und Vermessen eines Objekts - Google Patents

Verfahren zum optischen Abtasten und Vermessen eines Objekts Download PDF

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Abstract

Bei einem Verfahren zum optischen Abtasten und Vermessen eines Objekts (O) mittels eines Laserscanners (10), indem mittels eines Lichtsenders (17) ein mit einer Zielfrequenz (ω) modulierter Sendelichtstrahl (18) ausgesendet, mittels eines Lichtempfängers (21) ein von einem Objekt (O) in der Umgebung des Laserscanners (10) reflektierter oder sonst irgendwie gestreuter Empfangslichtstrahl (20) mit einem Messtakt (f) als Vielzahl von Abtastwerten empfangen, und mittels einer Steuer- und Auswertevorrichtung (22) aus den Phasenwinkeln (Φ) der Vielzahl von Abtastwerten für mehrere Messpunkte (X) jeweils wenigstens die Distanz (d) zum Objekt (O) ermittelt wird, wird für die Ermittlung der Distanzen (d) eine durch einen Distanzunterschied (Δd) zeitlich benachbarter Abtastwerte bedingte Phasenverschiebung (ΔΦ) korrigiert, um die Distanzen (d) zu korrigieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
  • Mittels eines Laserscanners, wie er beispielsweise aus der US 7,430 068 B2 bekannt ist, kann die Umgebung des Laserscanners optisch abgetastet und vermessen werden. Ein bekanntes Verfahren hierfür namens ”zero cross” ermittelt die Nulldurchgänge der Modulation des Sendelichtstrahls und des Empfangslichtstrahls. Die zeitliche Differenz entspricht dem Anstand. Damit werden nur wenige Stellen ausgewertet, nämlich die Nulldurchgänge.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, das Abtasten zunächst ohne Korrektur durchzuführen und die Abtastwerte danach zu korrigieren, indem die Phasenverschiebung korrigiert wird. Die Phasenverschiebung, welche als Verzerrung des Zeit- oder Frequenzraumes aufgefasst werden kann, schwankt über dem Phasenwinkel, welcher der Distanz entspricht. Für die Korrektur der Phasenverschiebung kann eine virtuelle Geschwindigkeit ermittelt werden, welche die genäherte Phasenverschiebung liefert. Eine iterative Ermittlung der virtuellen Geschwindigkeit ist bevorzugt. Anstelle einzelner Stellen kann das Zeitsignal in seiner Gesamtheit ausgenutzt werden. Die Phasenverschiebung kann in der Praxis weitgehend korrigiert werden. Die Korrektur erfolgt online, bevor die Abtastwerte – unter Datenreduktion – zu den Messpunkten zusammengefasst werden.
  • Im folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine schematische Darstellung eines Laserscanners mit Objekt,
  • 2 eine schematische Darstellung des Zeitsignals,
  • 3 eine schematische Darstellung des Spektrum mit Frequenzverschiebung (schraffiert),
  • 4 die vom Phasenwinkel abhängige Phasenverschiebung vor der Korrektur (gestrichelt) und danach (durchgezogen), und
  • 5 eine teilweise geschnittene Darstellung des Laserscanners.
  • Ein Laserscanner 10 ist als Vorrichtung zum optischen Abtasten und Vermessen einer Umgebung des Laserscanners 10 vorgesehen. Der Laserscanner 10 weist einen Messkopf 12 und ein Stativ 14 auf. Der Messkopf 12 ist als eine um eine vertikale Achse drehbare Einheit auf dem Stativ 14 montiert. Der Messkopf 12 weist einen um eine horizontale Achse drehbaren Spiegel 16 auf. Der Schnittpunkt der beiden Drehachsen sei als Zentrum Ci des Laserscanners 10 bezeichnet.
  • Der Messkopf 12 weist ferner einen Lichtsender 17 zum Aussenden eines Sendelichtstrahls 18 auf. Der Sendelichtstrahl 18 ist vorzugsweise ein Laserstrahl im sichtbaren Bereich von ca. 300 bis 1000 nm Wellenlänge, beispielsweise 790 nm, jedoch sind prinzipiell auch andere elektromagnetische Wellen mit beispielsweise größerer Wellenlänge verwendbar. Der Sendelichtstrahl 18 ist mit einem – beispielsweise sinusförmigen oder rechteckförmigen – Modulationssignal amplitudenmoduliert. Der Sendelichtstrahl 18 wird vom Lichtsender 17 auf den Spiegel 16 gegeben, dort umgelenkt und in die Umgebung ausgesandt. Ein von einem Objekt O in der Umgebung reflektierter oder sonst irgendwie gestreuter Empfangslichtstrahl 20 wird vom Spiegel 16 wieder eingefangen, umgelenkt und auf einen Lichtempfänger 21 gegeben. Die Richtung des Sendelichtstrahls 18 und des Empfangslichtstrahls 20 ergibt sich aus den Winkelstellungen des Spiegels 16 und des Messkopfes 12, welche von den Stellungen ihrer jeweiligen Drehantriebe abhängen, die wiederum von jeweils einem Encoder erfasst werden. Eine Steuer- und Auswertevorrichtung 22 steht mit dem Lichtsender 17 und dem Lichtempfänger 21 im Messkopf 12 in Datenverbindung, wobei Teile derselben auch außerhalb des Messkopfes 12 angeordnet sein, beispielsweise als ein am Stativ 14 angeschlossener Computer. Die Steuer- und Auswertevorrichtung 22 ist dazu ausgebildet, für eine Vielzahl von Messpunkten X die Distanz d des Laserscanners 10 zu dem (beleuchteten Punkt am) Objekt O aus der Laufzeit des Sendelichtstrahls 18 und des Empfangslichtstrahls 20 zu ermitteln. Hierzu wird die Phasenverschiebung zwischen den beiden Lichtstrahlen 18, 20 bestimmt und ausgewertet.
  • Mittels der (schnellen) Drehung des Spiegels 16 wird entlang einer Kreislinie abgetastet. Mittels der (langsamen) Drehung des Messkopfes 12 relativ zum Stativ 14 wird mit den Kreislinien nach und nach der gesamte Raum abgetastet. Die Gesamtheit der Messpunkte X einer solchen Messung sei als Scan bezeichnet. Das Zentrum Ci des Laserscanners 10 definiert für einen solchen Scan das stationäre Bezugssystem des Laserscanners 10, in welchem das Stativ 14 ruht. Nähere Einzelheiten des Laserscanners 10, insbesondere des Aufbaus des Messkopfes 12, sind beispielsweise in der US 7,430,068 B2 und der DE 20 2006 005 643 U1 beschrieben, deren diesbezügliche Offenbarungsgehalte ausdrücklich einbezogen werden.
  • Aufgrund der Laufzeit zwischen Laserscanner 10 und Objekt O (und zurück) ergibt sich zwischen Sendelichtstrahl 18 und Empfangslichtstrahl 20 ein verschobener Phasenwinkel Φ, der aus dem Zeitsignal (Signal des Lichtempfängers 21 über der Zeit t) ermittelt wird. Das Zeitsignal besteht digital aufgelöst aus einzelnen Abtastwerten (Samples), von denen jeweils etwa 2000 zu einer Messperiode gehören und später – unter Datenreduktion – zu einem Messpunkt X zusammengefasst werden, beispielsweise durch Momentenbildung oder sonstige Integrationsarten. Die Zeitintervalle, die den einzelnen Abtastwerten zugeordnet sind und die zusammen die Messperiode ergeben, definieren den Messtakt fM, also die Frequenz, mit welcher die Abtastwerte erzeugt werden. Der Messtakt fM ist auf eine Zielfrequenz ω0, welche der Modulationsfrequenz des Sendelichtstrahls 18 entspricht, derart abgestimmt, dass periodisch bei den gleichen Phasenwinkeln Φ gemessen wird, beispielsweise 25 mal pro 2π.
  • Wenn das Objekt O eine Fläche aufweist, zu deren Flächennormale der Sendelichtstrahl 18 nahezu senkrecht verläuft, also einen Einfallswinkel α ≈ 90° vorliegt, macht sich ein bestimmter Messfehler bemerkbar. Zwischen räumlich (und zeitlich) benachbarten Abtastwerten besteht ein Distanzunterschied Δd. Der Distanzunterschied Δd entspricht bei der Betrachtung der Unterschiede der Phasenwinkel Φ des Sendelichtstrahls 18 und des Empfangslichtstrahls 20 einer ”zusätzlichen” Phasenverschiebung ΔΦ. Diese Phasenverschiebung ΔΦ kann je nach Phasenwinkel Φ relativ groß werden (größer als die Messgenauigkeit). Aus der Sicht der Laserscanners 10 wirkt dieser Distanzunterschied Δd zweier zeitlich benachbarter Abtastwerte wie eine virtuelle Bewegung des Objektes O. Der Messtakt fM passt nicht mehr zur Zielfrequenz ω0 (d. h. es wird nicht mehr bei der gleichen Phasenlage gemessen), sondern der Empfangslichtstrahl 20 scheint eine Modulationsfrequenz zu besitzen, die gegenüber der Zielfrequenz ω0 um eine Frequenzverschiebung Δω verschoben ist. Diese Frequenzverschiebung Δω entspricht der Frequenzverschiebung beim Doppler-Effekt bei tatsächlich bewegten Objekten. Diese vom Phasenwinkel Φ abhängige Verschiebung kann auch als Verzerrung der Zeitraumes oder Frequenzraumes interpretiert werden.
  • Um diesen Messfehler zu korrigieren, wird eine virtuelle Geschwindigkeit v für diese virtuelle Bewegung des Objekts O ermittelt. Diese virtuelle Geschwindigkeit v ist proportional zur Frequenzverschiebung Δω. Mittels der virtuellen Geschwindigkeit v werden die Phasenwinkel Φ und damit die Distanzen d korrigiert, so dass die Phasenverschiebung ΔΦ aus den Abtastwerten und damit aus den Messwerten X eliminiert wird. Die Ermittlung der virtuellen Geschwindigkeit v und die Korrektur der Phasenverschiebung ΔΦ erfolgt iterativ. Begonnen wird mit der nullten Näherung v = Δd·fM. Mit dieser Näherung wird für die Abtastwerte jeweils eine genäherte Phasenverschiebung ΔΦ ermittelt, mittels welcher die den Abtastwerten jeweils zugeordnete Distanz d korrigiert wird. Hieraus wird jeweils wieder ein korrigierter Distanzunterschied Δd ermittelt, aus dem die virtuelle Geschwindigkeit v in nächster Näherung ermittelt wird.
  • Wenn das Verfahren konvergiert und die virtuelle Geschwindigkeit v bekannt ist, ist die Phasenverschiebung ΔΦ (d. h. die Verzerrung des Zeitraumes oder Frequenzraumes) theoretisch vollständig, praktisch weitgehend, korrigiert. 4 zeigt die Phasenverschiebung ΔΦ vor der Korrektur (gestrichelt) und danach (durchgezogen). Die Korrektur der Phasenverschiebung ΔΦ führt zu einer Korrektur des Zeitsignals und letztendlich – nach der Zusammenfassung der Abtastwerte – zu einer Korrektur der Messpunkte X. Das Zeitsignal kann in seiner Gesamtheit ausgenutzt werden, d. h. nicht nur zu einzelnen Phasenwinkeln Φ (beispielsweise den Nulldurchgängen), und zwar bei voller Signalqualität.
  • Die Korrektur der Phasenverschiebung ΔΦ und damit die Korrektur der Distanzen d erfolgt in einer Korrekturvorrichtung, welche vorzugsweise in die Steuer- und Auswertevorrichtung 22 integriert ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Laserscanner
    12
    Messkopf
    14
    Stativ
    16
    Spiegel
    17
    Lichtsender
    18
    Sendelichtstrahl
    20
    Empfangslichtstrahl
    21
    Lichtempfänger
    22
    Steuer- und Auswertevorrichtung
    Ci
    Zentrum
    d
    Distanz
    Δd
    Distanzunterschied
    fM
    Messtakt
    O
    Objekt
    t
    Zeit
    v
    Geschwindigkeit
    X
    Messpunkt
    α
    Einfallswinkel Phasenwinkel
    ΔΦ
    Phasenverschiebung
    ω
    Frequenz
    ω0
    Zielfrequenz
    Δω
    Frequenzverschiebung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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    • - DE 202006005643 U1 [0013]

Claims (9)

  1. Verfahren zum optischen Abtasten und Vermessen eines Objekts (O) mittels eines Laserscanners (10), indem mittels eines Lichtsenders (17) einen mit einer Zielfrequenz (ω0) modulierten Sendelichtstrahl (18) ausgesendet, mittels eines Lichtempfänger (21) einen von einem Objekt (O) in der Umgebung des Laserscanners (10) reflektierten oder sonst irgendwie gestreuten Empfangslichtstrahl (20) mit einem Messtakt (fM) als Vielzahl von Abtastwerten empfangen, und mittels einer Steuer- und Auswertevorrichtung (22) aus den Phasenwinkeln (Φ) der Vielzahl von Abtastwerten für mehrere Messpunkte (X) jeweils wenigstens die Distanz (d) zum Objekt (O) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ermittlung der Distanzen (d) eine durch einen Distanzunterschied (Δd) zeitlich benachbarter Abtastwerte bedingte Phasenverschiebung (ΔΦ) korrigiert wird, um die Distanzen (d) zu korrigieren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Korrektur der Phasenverschiebung (ΔΦ) eine virtuelle Geschwindigkeit (v) des Objekts (O) ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit (v) aus dem Distanzunterschied (Δd), der zwischen den Distanzen (d) zweier zeitlich benachbarter Abtastwerte besteht, und dem Messtakt (fM) ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus der virtuellen Geschwindigkeit (v) eine genäherte Phasenverschiebung (ΔΦ) ermittelt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus der genäherten Phasenverschiebung (ΔΦ) korrigierte Distanzen (d) der Abtastwerte ermittelt werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur der Phasenverschiebung (ΔΦ) iterativ erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Abtastwerten mit korrigierten Distanzen (d) unter Datenreduktion zu den mehreren Messwerte (X) zusammengefasst werden.
  8. Laserscanner (10) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  9. Laserscanner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswertevorrichtung (22) die Distanzen (d) korrigiert.
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