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Die Erfindung betrifft eine tragbare mobile Erfassungseinrichtung zur dreidimensionalen geometrischen Erfassung einer Umgebung gemäß dem Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur dreidimensionalen geometrischen Erfassung einer Umgebung gemäß dem Anspruch 7.
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Die schnelle, dreidimensionale und hochauflösende Erfassung von Objekten gewinnt mit zunehmender Digitalisierung des Wirtschaftslebens immer mehr an Bedeutung. Beleg dafür ist unter anderem die in den letzten Jahren stark gestiegene Anzahl kommerzieller mobiler Erfassungssysteme für den Straßenraum (Mobile Mapping Systems).
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Auf der Nachfrageseite für dreidimensionale hochaufgelöste Daten finden sich Branchen mit planungsintensiven Prozessketten wie das Bauwesen, insbesondere der Straßenbau sowie die städtebaulichen Architektur und Planungsbüros. Auch Unternehmen aus dem Bereich Facility Management, Hersteller von Navigationssystemen und das Militär nutzen verstärkt dreidimensionale Umgebungsinformationen dieser Art. Darüber hinaus bieten moderne Sensorsysteme wie terrestrische Laserscanner durch ihr schnelles, berührungsloses und insbesondere sehr hochauflösendes Messprinzip die Möglichkeit, dreidimensionale Daten auch für neue Fachgebiete wie die Unfallforschung oder das Gutachterwesen zu nutzen.
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Als Ergebnis einer dreidimensionalen Objekt- oder Umgebungserfassung wird in aller Regel die Ableitung geometrischer Formen und daraus aufgebauter virtueller Modelle gefordert. Während bereits verschiedene Systeme für die Erfassung von Straßenräumen verfügbar sind, existieren bis dato keine mobilen Messsysteme oder Messverfahren auf Basis von 3D-Laserscannern zur Erfassung von Innenräumen, begrenzt zugänglichen oder verwinkelten Objekten.
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Beim momentanen Stand der Technik besteht bislang nur die Möglichkeit, eine hochauflösende dreidimensionale Objekterfassung mit Laserscannern zu realisieren. Hier hat der Nutzer bislang die Wahl zwischen der äußerst arbeitsaufwendigen und kostenintensiven Erfassung von mehreren einzelnen Standpunkten oder der kinematischen Erfassung von Fahrzeugen aus, die mit Systemkosten im Bereich von 500.000 Euro verbunden sind, und sich nicht in Innenräumen und Übergangsbereichen (Treppenhäusern) einsetzen lassen.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine mobile Erfassung einer dreidimensionalen Umgebung auf einfache und kostengünstige Weise zu ermöglichen, insbesondere zur Erfassung von Innenräumen von Gebäuden.
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Diese Aufgabe wird durch die in dem Patentanspruch 1 angegebene Erfassungseinrichtung sowie das Erfassungsverfahren gemäß Anspruch 7 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
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Durch die Entwicklung eines tragbaren mobilen Messsystems auf Laserscanner-Basis kann ein signifikanter Beitrag zur Erschließung des stark wachsenden Marktes der kombinierten kinematischen 3D Erfassung von Innen- und Au ßenbereichen geleistet werden. Die Erfindung bietet die Möglichkeit, eine Objekt- und Umgebungserfassung mit folgenden Vorteilen durchzuführen:
- – Variabler Einsatz im Innen-, Übergangs- und Außenbereich von Gebäuden und Anlagen
- – Schnelligkeit
- – Berührungslose Erfassung
- – Vollständigkeit der Daten bei gleichzeitig hoher Auflösung
- – Hoher Automatisierungsgrad und damit einhergehende Wirtschaftlichkeit
- – Unabhängigkeit des Systems von Satellitensignalen
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erfassung von Umgebungsinformationen mit einem beweglichen Laserscanner, der durch einen Benutzer getragen werden kann. Sie beseitigt die bislang existierenden Einschränkungen vorhandener Mapping Systeme, wodurch erstmalig eine berührungslose, hochaufgelöste, schnelle und dynamische Erfassung von Innenräumen und Übergangsbereichen zum Außenraum auf einer bewegten Plattform möglich wird. Insbesondere das hohe Maß an Flexibilität durch die tragbare Lagerung des Scanners und die Einsetzbarkeit in unwegsamen Umgebungen prädestinieren dieses System für den kombinierten Einsatz mit anderen Verfahren, wie zum Beispiel dem statischen Laserscanning. Das System ist bei einer Kombination mit statischen aufgenommenen Laserscans in der Lage, diejenigen Objektbereiche und Umgebungen, die mit konventionellen Verfahren nur schwer oder überhaupt nicht erfasst werden können, zu erfassen und hierdurch Lücken auf einfache Weise zu beseitigen.
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Die Erfindung hat den Vorteil, eine relativ präzise Erfassung einer Umgebung zu ermöglichen und die das Messergebnis an sich verfälschenden Bewegungen des die Erfassungseinrichtung tragenden Menschen in hohem Maße zu kompensieren. Hierzu ist die eigentliche Messeinheit mit der Sensoreinrichtung mechanisch entkoppelt von der an dem Menschen anzubringenden Trageinrichtung. Zur Dämpfung der auf die Aufnahmeeinrichtung und damit auf die Sensoreinrichtung übertragenen Bewegungen des Benutzers ist eine Dämpfungseinrichtung vorgesehen, die zwischen der Trageinrichtung und der Aufnahmeeinrichtung wirksam ist und Relativbewegungen dazwischen dämpft. Vorteilhaft ist die auf der Seite der Aufnahmeeinrichtung vorgesehene Masse der Erfassungseinrichtung relativ groß gewählt, beispielsweise durch Verwendung von Zusatzgewichten, um unter Ausnutzung der Massenträgheit unerwünschte Bewegungseinflüsse auf die Sensoreinrichtung weiter zu minimieren.
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Vorteilhaft ist ferner die Verwendung einer Mensch-Maschine-Schnittstelle vorgesehen, die es erlaubt, dass ein Benutzer während des laufenden Erfassungsbetriebs geeignete Zusatzdaten eingibt, die zur Beschreibung der von der Sensoreinrichtung erfassten Umgebung dienen. Vorteilhaft ist die Erfassungseinrichtung dazu eingerichtet, die Zusatzdaten in Korrelation mit den von der Sensoreinrichtung erfassten Daten in einem Speicher der Erfassungseinrichtung zu speichern. Durch die Korrelation zwischen den Zusatzdaten und den von der Sensoreinrichtung erfassten Daten ist für eine spätere Auswertung der Daten ein reproduzierbarer Bezug zwischen den verschiedenen Datenarten gegeben.
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Vorteilhaft kann durch die Mensch-Maschine-Schnittstelle eine Integration des Benutzers und insbesondere dessen semantischer Fähigkeit, Umgebungen zu beschreiben, in den Erfassungs- und Auswertungsprozess eingebunden werden. Durch die von dem Menschen eingegebenen Zusatzdaten kann die entstehende Datenqualität erheblich verbessert werden.
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Die Erfindung hat den Vorteil, ein von einem Menschen tragbares Mobile Mapping System für den Hybrideneinsatz in Innenräumen zu bieten sowie für nicht durch Fahrzeuge zugängliche Außenbereich (Fußgängerzonen, Industrieanlagen, Produktionsstätten) und entsprechende Übergänge (Tunnel, Treppenhäuser). Als bildgebender Sensor kann vorteilhaft ein terrestrischer Laserscanner zum Einsatz kommen. Position und Orientierung des Systems können durch ein Inertial-Messsystem (INS) ermittelt werden, zu dessen Stützung weitere Sensoren eingebunden werden können. Alle Sensoren werden auf einer gemeinsamen Plattform, der Aufnahmeeinrichtung, befestigt, die mit Hilfe einer Dämpfungseinrichtung mit dem Benutzer verbunden ist.
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Die Elimination von Drifterscheinungen in den Messdaten der INS erfolgt in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ohne GPS-Signale oder andere globale Navigationssignale. Stattdessen werden neben Neigungs- und Magnetfeldsensoren insbesondere die geometrischen Informationen aus dem Objektraum zur Stützung der Position und Orientierung des Messsystems verwendet. Diese werden während des Erfassungsvorganges über die Mensch-Maschine-Schnittstelle zusammen mit den Scannerdaten erfasst und im Rahmen der Auswertung mit diesen verknüpft.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Mensch-Maschine-Schnittstelle kontextsensitive Eingabemöglichkeiten für den Benutzer auf. Die kontextsensitiven Eingabemöglichkeiten sind durch die Erfassungseinrichtung automatisch aufgrund der von der Sensoreinrichtung erfassten Daten festgelegt. Hierdurch ist die Eingabe der Zusatzdaten von dem Benutzer einfacher und schneller durchzuführen, da dem Benutzer beispielsweise nur eine geringe Auswahl von Eingabemöglichkeiten aus einer Gesamtmenge vorhandener Eingabemöglichkeiten angeboten wird. Die angebotene Auswahl von Eingabemöglichkeiten wird dann automatisch durch die Erfassungseinrichtung unter Verwertung der von der Sensoreinrichtung erfassten Daten bestimmt. Beispielsweise ist es nach Erkennung des Betriebs der Erfassungseinrichtung in einem geschlossenen Innenraum eines Gebäudes nicht sinnvoll, einem Benutzer als Eingabemöglichkeit für die Zusatzdaten die Eingabe eines Merkmals „Straßenbordstein” zur Auswahl anzubieten. Stattdessen werden nach Erkennung des Betriebs in einem Innenraum lediglich Innenraum-spezifische Eingabemöglichkeiten angeboten.
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Die Erfindung wird unter Verwendung von Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert.
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Es zeigen
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1 Eine von einem Menschen getragene mobile Erfassungseinrichtung und
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2 ein Blockschaltbild der Erfassungseinrichtung und
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3 einen Ablauf der Auswertung der Erfassungsergebnisse und
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4 bis 6 eine beispielhafte Durchführung eines iterativen Ausgleichungsprozesses.
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In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
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Das nachfolgend erläuterte Ausführungsbeispiel beschreibt ein durch einen Menschen tragbares mobiles Mapping System zur dreidimensionalen, flexiblen, hochauflösenden und vollständigen Erfassung von Umgebungsinformationen in Innenräumen, in nicht durch Fahrzeuge zugänglichen Außenbereichen (Fußgängerzonen, Industrieanlagen, Produktionsstätten) und entsprechenden Übergängen (Tunnel, Treppenhäuser).
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Als bildgebender Sensor kommt ein terrestrischer Laserscanner zum Einsatz, der im Profilmodus mit einer Messrate von 500.000 Punkten/s und einer Profilfrequenz von 100 Hz betrieben wird. Die Rotationsachse des Profilscanners ist dabei so gelagert, dass sie in Bewegungsrichtung zeigt und das Objekt schraubenförmig mit dem rotierenden Laserstrahl abtastet. Die Auflösung in Bewegungsrichtung des Scanners kann somit durch die Bewegungsgeschwindigkeit und die Rotationsfrequenz des Lasers beeinflusst werden. Neben den reinen dreidimensionalen Punktinformation ist der Laserscanner zudem in der Lage, den Intensitätswert des zurückgestrahlten Lasersignals zu erfassen und hierdurch ein von den Oberflächeneigenschaften des Objektes abhängiges Reflektivitätsbild zu erzeugen.
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Neben diesem direkt dreidimensional messenden Sensor werden in diesem Ausführungsbeispiel weitere Sensoren wie hochauflösende Farb-CCD-Kameras und thermographische Kameras eingesetzt, mit deren Bilddaten die später berechnete Punktwolke zusätzlich überlagert werden kann. Diese Zusatzinformationen können thermische Emissionen der erfassten Objekte oder Echtfarbinformationen sein.
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Position und Orientierung des Systems werden durch ein Inertial-Messsystem ermittelt, zu dessen Stützung weitere Sensoren hinzugefügt werden. Eine Stützung der Messwerte erfolgt grundsätzlich durch mindestens zwei hochauflösende kreuzweise angeordnete Neigungssensoren, die Verschwenkungen des Systems aus einer Horizontalebene ermitteln können, und ein oder mehrere Magnetfeldsonden, die zur Ermittlung von Azimutänderungen verwendet werden. Bei Einsätzen im Außenbereich erfolgt je nach Signalverfügbarkeit eine Stützung von einem globalen Navigationssignal (GNSS) durch GNSS-Sensoren auf Basis von GPS, GLONASS oder GALILEO.
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Alle Sensoren werden auf einer gemeinsamen tragbaren Plattform, der Aufnahmeeinrichtung, befestigt, die mit Hilfe einer Dämpfungseinrichtung (z. B. Trägheitsdämpfung) mit dem Benutzer verbunden ist. Portable Dämpfungssysteme sind im Bereich der Film- und Fernsehproduktionen bereits erprobt. Hierdurch werden Erschütterungen und kurzperiodische Bewegungen durch die Schrittfrequenz des Benutzers oder durch unebenen Untergrund nicht oder nur zu geringem Teil auf die Sensoreinrichtung übertragen, was zu einer erheblichen Verbesserung der Qualität der Messdaten führt. Durch die hohe Massenträgheit eines solchen Dämpfungssystems kann das gesamte Messsystem eventuelle Bewegungen nur mit geringer Beschleunigung vornehmen. Hierdurch werden die durch die Neigungsmesser ermittelten Inklinationswinkel geringstmöglich durch Störbeschleunigungen verfälscht, so dass ein guter Bezug zur Horizontalebene gegeben ist und Driften des INS um die beiden horizontal gelagerten Koordinatenachsen weitgehend eliminiert werden. Die sensorische Bestimmung und Korrektur des Azimutes, also des Drehwinkels um die vertikale Koordinatenachse, erfolgt mit Hilfe des Magnetfeldsensors.
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Diese sensorischen und mechanischen Besonderheiten stellen eine wesentliche Neuerung im Vergleich zum Stand der Technik dar und ermöglichen den Einsatz des Systems in verschiedenartigen, insbesondere jedoch in schwer befahrbaren Innenräumen, in Treppenhäusern, Tunneln und auf schrägen Rampen.
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Für die gegenseitige Referenzierung von Positions- und Orientierungsdaten auf der einen und bildhaften Scannerdaten auf der anderen Seite wird bei einer Weiterbildung dieser Erfindung ein Zeitnormal verwendet, das nicht wie bestehende Mapping-Systeme durch das Zeitnormal des GPS definiert wird, sondern durch äquidistante Triggerzeitpunkte des Laserscanners (z. B. erzeugt durch den Nulldurchgang eines jeden Scanprofils). Hierdurch ist das System unabhängig von der Verfügbarkeit des GPS-Signalbestandteils Pulse Per Second (PPS). Die Aufzeichnung der Triggerzeitpunkte des Laserscanners wird von einer zentralen echtzeitfähigen Messhardware übernommen, die über ein Human-Machine-Interface (HMI) bedient werden kann. Vorteilhaft hieran ist, dass somit auch die Messwerte anderer Sensoren wie die der Neigungsmesser und des Magnetfeldsensors im gleichen Zeitnormal wie die Scandaten erfasst werden.
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Das in der 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt eine Erfassungseinrichtung 1, die über eine Trageinrichtung 3 an dem Körper 9 eines Menschen angebracht ist. Die Trageinrichtung 3 kann beispielsweise eine Mehrzahl von Gurten umfassen. Die Trageinrichtung 3 ist über eine Dämpfungseinrichtung 5, z. B. einen hydraulischen Stoßdämpfer, mit einer Aufnahmeeinrichtung 2 zur Aufnahme einer Sensoreinrichtung 4 verbunden. Die Aufnahmeeinrichtung 2 kann beispielsweise über ein Gelenk mit einem Haltearm der Trageinrichtung 3 verbunden sein. Weiterhin sind zwischen den Gurten der Trageinrichtung 3 und dem Haltearm der Trageinrichtung 3 Federn 13, 14 angeordnet, die den Benutzer beim Halten der Aufnahmeeinrichtung unterstützen und den Bedarf an einzusetzender Muskelkraft reduzieren.
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Die Sensoreinrichtung 4 weist wenigstens ein Inertial-Messsystem 7 und einen Laserscanner 8, z. B. einen terrestrischen Laserscanner, auf. Das Inertial-Messsystem beinhaltet beispielsweise einen 3-Achs-Beschleunigungssensor und in drei Koordinatenrichtungen ausgerichtete Drehratensensoren. Zusätzlich weist die Sensoreinrichtung 4 einen Magnetfeldsensor 12 zur Erfassung des Erdmagnetfelds, ein Inklinometer 11 sowie eine CCD-Farbkamera 23 und eine Thermografiekamera 22 auf. Weiterhin ist ein Empfänger 10 für ein globales Navigationssignal vorgesehen, z. B. für die GPS, GLONASS oder Galileo.
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Die Erfassungseinrichtung weist zusätzlich einen tragbaren Computer 6 auf, der über eine Anzeigeeinrichtung und eine Eingabeeinrichtung verfügt. Die Eingabeeinrichtung kann beispielsweise als Tastatur ausgebildet sein. Vorteilhaft kann auch ein die Eingabeeinrichtung integrierender Touch-Screen als Anzeigeeinrichtung verwendet werden. Der Computer 6 weist einen Speicher 21 auf, in dem über die Sensoreinrichtung 4 erfasste Daten gespeichert werden Des Weiteren weist der Computer 6 eine Mensch-Maschinen-Schnittstelle 20 auf (auch Mensch-Maschine-Interface (MMI) oder Human-Machine-Interface (HMI) genannt) auf. Über das HMI 20 kann der Benutzer Zusatzdaten in den Computer 6 eingeben, die dann in Korrelation mit den von der Sensoreinrichtung 4 erfassten Daten in dem Speicher abgespeichert werden.
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Die 2 zeigt die Hardwarekonfiguration der Erfassungseinrichtung in Form eines Blockschaltbilds. Die zuvor bereits erläuterten Sensoren der Sensoreinrichtung 4, nämlich der Laserscanner 8, der Empfänger für das globale Navigationssignal GNSS 10, das Inertial-Messsystem 7, das Inklinometer 11, der Magnetfeldsensor 12, die CCD-Farbkamera 23 und die Thermographiekamera 22 sind mit einem Echtzeit-Rechner 24 verbunden. Der Echtzeit-Rechner 24 weist einen schnellen Prozessorkern auf, der eine Verarbeitung der Vielzahl von Sensorsignalen in Echtzeit ermöglicht. Der Echtzeit-Rechner 24 ist ferner mit dem Mensch-Maschine-Interface 20 und dem Speicher 21 für die erfassten Daten verbunden.
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Eine weitere vorteilhafte Neuerung dieser Erfindung ist die umfassende Integration des Benutzerwissens in den Erfassungs- und somit auch Auswerteprozess. Ein solcher Benutzer gibt zusätzliche Informationen wie die Ebenheit von Objektteilen oder des Fußbodens über das HMI ein. Hierdurch sollen diese geometrischen Informationen aus dem Objektraum in Verbindung mit den Profilmessungen des Laserscanners zur Verbesserung der Bestimmung von Position und Orientierung herangezogen werden. Die semantische Fähigkeit des Menschen bei der Erkennung und insbesondere der Klassifizierung von Objekten kann in einem interaktiven Erfassungs- und Auswerteprozess hervorragend zur Verbesserung der Datenqualität genutzt werden. Die hierdurch im Sinne eines interaktiven wissensbasierten Systems zur Verfügung stehenden Objektparameter (z. B. Informationen über das Vorhandensein eines horizontalen Fußbodens/vertikaler Wände) lassen sich aus den zweidimensionalen Profilmessungen des Laserscanners nicht ohne weiteres ableiten, können jedoch einen signifikanten Beitrag zur Bestimmung der Orientierungsunbekannten und somit zur Verbesserung der Datenqualität leisten. Grundsätzlich lassen sich hierzu beliebige geometrische Bedingungen wie die Linearität, die Ebenheit oder die Krümmung von Objekten (Untergrund, Fußboden, Wände, Rohre, Straßenmarkierungen, Bordsteine, Raumdecken) nutzen. Eine solche Erkennung und Klassifizierung von Objekten kann in aller Regel durch den Benutzer während der Erfassung vor Ort über das HMI vorgenommen werden, so dass Objektinformationen und Scandaten direkt miteinander verknüpft werden können.
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Der Ablauf einer Messung und Auswertung gestaltet sich wie folgt, wie in der 3 dargestellt:
- 1. Erfassung zweidimensionaler Umgebungsdaten durch punktweises Abtasten mit dem Laserscanner (8). Hierdurch wird anhand der Messpunkte des Laserscanners (8) eine Profilmessung eines Umgebungsbereichs vorgenommen und als Scanprofil (33) einem Auswerteprozess (30) zugeführt.
- 2. Gleichzeitig Erfassung von hochauflösenden digitalen Farbbildern durch ein oder mehrere CCD-Sensoren und/oder von digitalen thermografischen Bildern durch ein oder mehrere Thermografiekameras (34).
- 3. Gleichzeitig Messung von räumlichen Orientierungen durch das Inertial-Messsystem, von Neigungswinkeln gegenüber der Horizontalen durch die Neigungsmesser sowie von Azimutänderungen durch den Magnetfeldsensor (34).
- 4. Gleichzeitig werden die Bildinformationen der Farbkameras (23) und der Thermokamera (22) als Bilder (36) einem Schritt (31) zugeführt, in dem aus den Ergebnissen des iterativen Ausgleichungsprozesses (30), den Scanprofilen (33) und den Bildern (36) die endgültigen dreidimensionalen Geometrien der Umgebung bestimmt werden.
- 5. Gleichzeitig Erfassung von wesentlichen geometrischen Objektmerkmalen in der direkten Umgebung des Scanners durch den jeweiligen Benutzer (32). Die Informationen können zum Beispiel die Ebenheit des Untergrundes oder charakteristische Formen wie Bordsteinkanten, Rohrleitungen und Linearität von Fahrbahnmarkierungen sein.
- 6. Berechnung einer vorläufigen Trajektorie und vorläufiger Drehwinkel (Orientierung) des Systems aus den Messwerten des INS, der Neigungsmesser und des Magnetfeldsensors.
- 7. Erzeugung einer vorläufigen entzerrten Punktwolke aus den vorläufigen Trajektorienparametern und Drehwinkeln.
- 8. Vergleich der durch den Benutzer über das HMI erfassten geometrischen Objektmerkmale mit der Geometrie der vorläufigen Punktwolke. Die möglicherweise vorhandenen Abweichungen zwischen der Sollgeometrie und der aus Profilmessungen erzeugten und entzerrten Punktwolke werden durch Ausgleichungsverfahren dazu genutzt, die Positionsparameter und Drehwinkel des Systems in einem rekursiven Verfahren zu verbessern. Es werden neue vorläufige Trajektorienparameter und Drehwinkel aufgestellt.
- 9. Wiederholung der Auswertung ab Punkt 6, bis ein vorab definierter Qualitätsparameter (35) erfüllt ist. Wenn dies geschehen ist, werden die vorläufigen zu endgültigen Parametern. Der Qualitätsparameter (35) kann von einem Benutzer vorgegeben werden und wird dem Auswerteprozess (30) zugeführt.
- 10. Vollständige Neuberechnung der Punktwolke auf Basis der endgültigen Trajektorienparameter und Drehwinkel des Laserscanners. Anschließend kann die Punktwolke bei Vorliegen von digitalen Farbbildern oder thermografischen Bildern entsprechend farbcodiert werden.
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Darüber hinaus verfügt das System über die Möglichkeit einer Selbstkalibrierung der Sensoren zur Verringerung der Drifterscheinungen des INS, bei dem so genannte Stillstandupdates (Zeiträume ohne Bewegung des Systems) zur Kalibrierung verwendet werden. Hierbei wird der Scanner in eine Haltevorrichtung gestellt und ist dadurch in der Lage, die nähere Umgebung mit einem statischen 360° Scan verzerrungsfrei zu erfassen. Dieser statische Scan kann dazu genutzt werden, die vor und nach dem Stillstandspunkt kinematisch aus der Bewegung erfassten 2D-Scanprofile zu korrigieren und Driften des gesamten Systems auf diese Weise zu verringern.
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Ein weiteres Verfahren, das bei diesem System Anwendung findet, ist die erneute kinematische Erfassung bereits aufgenommener Kreuzungspunkte oder anderer Stellen des Objektes in der entgegengesetzten Erfassungsrichtung. Werden aus beiden Aufnahmen identische Objekte rekonstruiert, können die unterschiedlichen Raumpositionen oder unterschiedlichen Drehwinkel dieser identischen Objekte aus beiden Aufnahmen (Hin- und Rückweg) zur Bestimmung der Driftwerte des INS verwendet werden, die in einer anschließenden erneuten Gesamtauswertung rechnerisch kompensieren lassen.
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Anhand der 4 bis 6 wird ein Beispiel für eine Durchführung des iterativen Ausgleichungsprozesses (30) näher erläutert. Hierbei wird von der Erfassung eines Flures (41) in einem Gebäude ausgegangen. Es sei angenommen, dass eine erfindungsgemäße Erfassungseinrichtung (1) in einer Richtung (40) längs durch den Flur (41) bewegt wird. Von dem Flur (41) sind in der 4 zur besseren Übersicht lediglich die Seitenwände und der Fußboden (42) dargestellt. Die Erfassungseinrichtung (1) nimmt mittels des Laserscanners (8) punktweise das Profil des Flurs (41) während der Bewegung entlang der Richtung (40) auf. Die von dem Laserscanner erfassten Punkte (43) sind in der 4 beispielhaft dargestellt. Die Punkte (43) liegen relativ dicht beieinander, so dass eine ausreichend präzise und hoch aufgelöste Erfassung der Umgebung ermöglicht wird.
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Die Erfassungseinrichtung 1 wird gemäß 4 von einem Benutzer zur Umgebungserfassung in einer lang gestreckten Bewegung entlang des Flures (41), und zwar in Richtung (40), getragen. Die Erfassungseinrichtung (1) erfasst das Objekt dabei durch Profilmessungen, die quer zur Bewegungsrichtung (40) ausgerichtet sind. Während einer solchen Bewegung entstehen in der Regel Abweichungen von der exakten, gewünschten Bewegungsrichtung (40). Die Abweichungen können beispielsweise in Form von Driftbewegungen oder oszillierend ausfallen. Bei einer Bewegung durch einen Menschen entsteht z. B. in der Regel eine Rollbewegung durch die Schrittfolge des Menschen. Als Rollbewegung wird eine Drehung um die Bewegungsrichtung (40) verstanden. Diese Rollbewegungen können durch die in die Erfassungseinrichtung integrierten Sensoren zu einem gewissen Teil erfasst und kompensiert werden, jedoch war bisher eine vollständige Kompensation nicht möglich. Im Ergebnis können solche unerwünschten Bewegungen zu einer Verzerrung der gemessenen Umgebungsinformationen führen.
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Die 5 zeigt die Auswirkungen einer solchen unerwünschten Rollbewegung. Je nach Art der Bewegung und dem vorhandenen Untergrund kann die Periodendauer einer solchen Oszillation des Rollwinkels im Bereich von einer Sekunde bis hin zu mehreren Sekunden liegen.
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In der 6 ist dargestellt, wie der Rollwinkel φ für die nachfolgenden Betrachtungen definiert ist. Der Rollwinkel φ gibt die Abweichung der Rollposition der Erfassungseinrichtung (1) gegenüber dem Fußboden (42) an.
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Gemäß der Erfindung wird zur Kompensation des unerwünschten Einflusses der Rollbewegung die Kenntnis der geometrischen Beschaffenheit von Objekten im zu erfassenden Objektraum genutzt. Im vorliegenden Beispiel erkennt der Benutzer der Erfassungseinrichtung (1), dass der Fußboden (42) als Referenzfläche dient und dass dieser Fußboden (42) eben ist. Diese Informationen gibt der Benutzer über das HMI 20 in die Erfassungseinrichtung (1) ein. Die Erfassungseinrichtung (1) verwertet diese Informationen in dem iterativen Ausgleichungsprozess (30). Auf diese Weise kann durch Ausgleichs- und Filteralgorithmen eine weitgehende Korrektur der Rollbewegung auf algorithmischem Wege erfolgen. Dazu werden geometrische Merkmale wie beispielsweise Linien aus den Profilmessungen extrahiert. Die diesen extrahierten Informationen noch inhärenten Abweichungen in Bezug auf Lage und Orientierung können durch die Zusatzinformationen des Benutzers der Fußbodenoberfläche (42) zugeordnet werden. Durch Ausgleichung der Winkeldifferenz zwischen horizontaler Solllage und messtechnisch erfasster Schrägstellung kann der Orientierungsparameter Rollwinkel auf diesem Wege aus den Erfassungsergebnissen eliminiert werden.
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Abhängig von der Komplexität des zu erfassenden Objekts und der eingesetzten Messtechnik sind in der Regel nicht nur Divergenzen des Rollwinkels auf diesem Wege zu korrigieren, sondern auch Divergenzen anderer Positions- und Orientierungsparameter. In der Praxis ist die von dem Laserscanner erfasste Punktwolke zunächst in mehreren Dimensionen verzerrt. Daher ist die Extraktion von geometrischen Merkmalen, z. B. zweidimensionalen Linien, relativ komplex und nicht bereits mit einem Rechenschritt möglich, um die gesuchten Abweichung zu ermitteln. Daher wird vorgeschlagen, den Ausgleichungsprozess (30) so lange zu iterieren, bis ein vorab definierter Qualitätsparameter eingehalten wird. Dieser Qualitätsparameter kann beispielsweise die Quadratsumme der Elemente des Verbesserungsvektors für die jeweiligen Positions- und Orientierungsparameter sein.
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Im Rahmen des iterativen Ausgleichungsprozesses werden neben primären Sensormesswerten erstmals auch aus den Daten bildgebender Sensoren abgeleitete Informationen im Objektraum sowie die über das HMI 20 eingegebenen Zusatzdaten (32) genutzt. Hierbei wird eine vorläufige Punktwolke und zweidimensionale Geometrien berechnet, mit vom Benutzer eingegebenen Daten (32) korrigiert und mit weiteren Sensordaten (34) verrechnet. Hieraus wird eine Trajektorie der Bewegung und sowie Orientierungsparameter wie z. B. der Rollwinkel φ abgeleitet. Diese werden wiederum zur Verbesserung der Punktwolke zurückgeführt zu dem Schritt der vorläufigen Bestimmung der Punktwolke und der zweidimensionalen Geometrien. Bei Erreichen des vorgegebenen Qualitätsparameters erfolgt ein Abbruch der Iteration und in dem Schritt (31) eine endgültige Berechnung der dreidimensionalen Geometrie. Auf diese Weise können die Positions- und Orientierungsparameter des Laserscanners (8) zu jedem Messzeitpunkt verbessert werden. Es können hiermit sowohl systematisch wie auch unsystematisch auftretende Driften, bzw. Verzerrungen der Punktwolke, effektiv kompensiert werden.
