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Die Erfindung betrifft einen Laserscanner. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Laserscanner mit einer Laserkopf, durch den ein Laserstrahl in einer Ebene zumindest einen Teilkreis, bevorzugt einen Vollkreis, überstreichend ausgesandt wird.
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Laserscanner werden zur Abtastung der Umgebung umfangreich eingesetzt, unter anderem auch im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen und Flurförderzeuge, bei denen zunehmend Assistenzsysteme zum Einsatz kommen oder autonome, selbständig fahrende Mobile Arbeitsmaschinen eingesetzt werden, die entsprechende Informationen über ihre unmittelbare Umgebung benötigen. Beispiele hierfür aus dem Bereich der Flurförderzeuge sind ohne Fahrer eingesetzte Gabelstapler in vollautomatisierten Lagern.
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Bekannt sind Laserscanner, die in einer Ebene und somit zweidimensional scannen. Eine mögliche Ausführungsform besteht aus einem rotierenden Laserstrahlkopf, der durch seine Drehung einen Laserstrahl in einer Ebene aussendet. Der Laserkopf ist dabei mit einem einzelnen Laserabstandssensor bestückt.
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Gerade bei Einsätzen bei Flurförderzeugen ist jedoch eine Erfassung von Objekten in einer Ebene oftmals nicht ausreichend. Hier wird eine dreidimensionale Erfassung der Umgebung angestrebt. Bei Flurförderzeugen ist ein Einsatzzweck einer solchen Technologie die Erfassung bzw. Vermessung der Umgebung mit großen Einsatzreichweiten, zum Teil von 80 m und mehr. Die erfassten Daten werden zur Navigation, zur Standortvermessung, aber auch zur Kollisionsvermeidung von Flurförderzeugen benutzt.
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Eine bekannte Lösung, um einen dreidimensionalen Erfassungsraum zu bilden, besteht darin, den Laserkopf nicht nur rotieren zu lassen, sondern zugleich eine Schwenkbewegung in der Ebene senkrecht zur Rotationsebene durchzuführen.
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Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass beim gleichzeitigen Schwenken und Drehen stets die Masse des Laserkopfes bzw. eigentlichen Lasersensors einschließlich Halteelementen bewegt werden muss und hierfür Lagerungen vorgesehen werden müssen. Exzentrische Massenschwerpunkte können dabei zu aufwendigen Lagerungserfordernissen führen oder die Drehbewegungen limitieren. Weiterhin nachteilig muss bei einem Rotationsantrieb mit kontinuierlicher Bewegung die Sensoren über einen Schleifring mit Spannung und Kommunikationsdaten versorgt werden. Ganz allgemein ergeben sich bei rotierenden oder translatorischen Antrieben zur Bewegung der Sensoren durch solche Bewegungsbegrenzungen diskontinuierliche Abtastungen des Raums.
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Die gleichzeitige Bewegung des Laserscanners und die damit verbundene Datenaufnahme kann zu zufälligen Winkelfehlern und Verzerrungen bei der Bildaufnahme führen. Schließlich ergibt sich auch der Nachteil bei einer Ausführung, bei der der Laserkopf bzw. der eigentliche Laserscanner in einer Ebene senkrecht zu der Rotationsebene verschwenkt wird, dass aufgrund mechanischer Wechselwirkungen, insbesondere von Corioliskräften, sich der Laserkopf in seiner Abtastgeschwindigkeit nur relativ langsam bewegen und drehen kann um Verzerrungen zu vermeiden. Da zweidimensionale Scanner jedoch eine sehr hohe Auflösung in der Rotationsebene bereits bieten, wird durch die Schwenkbewegung zur Erreichung einer dreidimensionalen Auflösung eine hohe Auflösung zugleich verhindert.
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Weiterhin ist auch bekannt, vor dem rotierenden Laserkopf einen sich um eine liegende Querachse drehenden Prismenspiegel vorzusehen, der den Laserstrahl senkrecht zu der Rotationsebene ablenkt. Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass der Prismenspiegel samt seiner Rotationsvorrichtung mit dem bereits rotierenden Laserkopf mitbewegt werden muss.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laserscanner zur Verfügung zu stellen, der die zuvor genannten Nachteile vermeidet und mit dem insbesondere beim Einsatz im Zusammenhang mit mobilen Arbeitsmaschinen eine dreidimensionale Raumerfassung sowie über weite Distanzen genaue Messungen möglich sind.
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Diese Aufgabe wird durch einen Laserscanner mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Laserscanner mit einer Laserkopf, durch den ein Laserstrahl in einer Ebene zumindest einen Teilkreis, bevorzugt einen Vollkreis, überstreichend ausgesandt wird, um den Laserkopf herum ein Spiegelring zumindest über einen Teilkreis angeordnet ist, wobei der Spiegelring durch eine Drehbewegung um eine Hochachse und/oder eine Hubbewegung relativ zu der Ebene und/oder eine Schwenkbewegung von Einzelspiegeln, aus denen der Spielkreis aufgebaut ist, eine Ablenkung des Laserstrahls um unterschiedliche Winkel aus der Ebene bewirken kann.
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Der Spielkreis ist dabei vorteilhaft zunächst völlig unabhängig von einer Bewegung des Laserstrahls in der Ebene und, wie diese mechanisch erzeugt wird, beispielsweise durch eine Verdrehung des Laserkopfs oder durch einen Spiegel bei einem feststehenden Laserelement. Vorteilhaft muss der zweidimensionale Laserscanner bzw. der Laserkopf nicht mehr zusätzlich in einer weiteren Ebene bewegt werden. Dadurch können kleinere Antriebe genutzt werden und entfällt eine anderenfalls eventuell notwendige Anschlussverkabelung über Schleifringe, um einen zusätzlichen vertikalen Schwenkantrieb des Laserkopfs ansteuern zu können. Allein durch die mechanische Bewegung des Spiegelrings wird erreicht, dass der Laserstrahl an derselben Einfallposition vertikal jeweils in einen anderen Winkel abgelenkt wird. Dies kann beispielsweise bei einer Hubbewegung dadurch geschehen, dass der in der Ebene liegende Bereich der Spiegelfläche einen jeweils anderen Winkel aufweist. Alternativ, aber auch in Kombination kann durch Drehen des gesamten Spiegelrings um eine Hochachse jeweils einen Bereich der Spiegelfläche mit einem anderen Winkel an dieselbe Stelle gelangen. Schließlich ist es auch möglich, den Spiegelring durch eine Vielzahl kleiner Einzelspiel aufzubauen, die in einem Kreis oder in einem Teilkreis um den Laserkopf angeordnet sind und die jeweils in unterschiedliche Winkel verstellt werden können, um unterschiedliche Ablenkungen zu erreichen. Dabei sind so viele einzelne Spiegel anzuordnen, wie dem Abtastwinkel des Laserkopfs bei einer überstreichen in der Ebene entsprechen sollen. Durch diesen Abtastwinkel wird die Auflösung und Genauigkeit festgelegt. Vorteilhaft ist es bei allen zuvor geschilderten Alternativen oder Kombinationsmöglichkeiten möglich, einzelne Punkte oder partielle Winkelbereiche mit einer höheren Auflösung und/oder schnellerer Messaufnahmezeit abzutasten. Eine Abtastung muss nicht unbedingt auch zeilenweise erfolgen. Dadurch kann die Abtastrate für komplette oder teilweise Scanbereich erhöht werden.
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Vorteilhaft besteht der Spiegelring aus einem Spiegeltrichter, so dass bei einer Hubbewegung des Spiegeltrichters der Laserstrahl auf die Spiegelfläche zwischen einem maximalen Winkel, bevorzugt 45°, bis zu einem minimalen Winkel, bevorzugt 0°, trifft.
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Der Winkel der Spiegelfläche innerhalb des Spiegeltrichters variiert zwischen dem minimalen Winkel und dem maximalen Winkel. Bei einem maximalen Winkel von 45° kann so beispielsweise eine Ablenkung des Laserstrahls senkrecht um 90° erreicht werden. Zwischen diesen Werten kann innerhalb des Spiegeltrichters der Winkel der Spiegelfläche kontinuierlich oder in Stufen variieren. Durch eine Hubbewegung des Spiegeltrichters relativ zu dem Laserkopf kann dann eine Einstellung erfolgen, welcher Winkel in der dritten Dimension abgetastet werden soll bei einem Umlauf oder einer Teilbewegung des Laserstrahl über einen Teilkreis.
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Der Spiegelring kann aus einem doppelten Spiegeltrichter besteht mit einem oberen Spiegeltrichter und einem unteren Spiegeltrichter, deren Spiegelflächen jeweils von einem maximalen Winkel bis zu einem minimalen Winkel geneigt sind.
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Dadurch kann eine Abtastung sowohl nach oben, wie auch nach unten erreicht werden abhängig von der Höhenanordnung des Spiegelrings.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Laserscanners besteht der Spiegelring aus einem Band, das über den Umfang zwischen einem minimalen Winkel und einem maximalen Winkel seinen Winkel in der Ebene ändert, wobei das Band um die Hochachse gedreht werden kann.
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Beispielsweise kann ein solcher Spiegelring in seiner Ausbildung als Band einen Winkel von 45° bis 0° und anschließend bis –45° aufweisen. Das Band rotiert dabei um den Laserkopf. Wenn dieses synchron mit dem Laserkopf sich dreht, ergibt sich nur ein Winkel, der oberhalb oder unterhalb der Ebene abgetastet wird. Wenn jedoch bei einer synchronen Drehung die relative Position verstellt wird, kann beispielsweise jeder Abtastwinkel von senkrecht nach oben bis senkrecht nach unten eingestellt werden und die Umgebung zeilenförmig abgetastet werden, wobei nach jeder Umdrehung eine relative Verstellung der Position zwischen Spiegelring bzw. Band und Laserkopf erfolgt.
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Der Spiegelring kann einen Vollkreis bilden mit einer Lücke für das Aussenden des Laserstrahls in der Ebene.
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Durch eine solche Lücke oder Aussparung wird der Laserstrahl nicht beeinträchtigt, wenn er in der eigentlichen Ebene abtasten soll und keinen Ablenkwinkel hat.
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Vorteilhaft ist der minimale Winkel negativ und der maximale Winkel positiv.
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Dadurch kann der Laserstrahl mit dem Band als Spiegelring sowohl nach oben abgelenkt werden, wie auch nach unten.
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Das Band kann asynchron zur Drehbewegung des Laserstrahls gedreht werden.
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Durch eine asynchrone Bewegung der Drehung des Bandes zu der Drehbewegung des Laserstrahls wird der gesamte Winkelbereich spiralförmig abgetastet.
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Die Winkeländerungen des Spiegelrings können in Abstufungen erfolgen.
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Sowohl bei der Ausbildung als Spieltrichter, wie auch als Band kann es vorteilhaft sein, die Winkeländerungen auf optisch wirksamen Fläche des Spiegelrings in Abstufungen vorzunehmen, die leichter herzustellen sind, als eine kontinuierlich gekrümmte, sich ändernde Fläche.
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Vorteilhaft weist der Spiegelring einen parabolischen Rückreflexionsbereich auf, insbesondere an der Ober- und/oder Unterseite.
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Durch solche außerhalb der Reflexionsfläche des Austrittsstrahls des Lasers angebrachte parabolische Flächen kann ein zurückreflektierter Strahl auf eine Empfangseinheit des Laserkopfs gesammelt und verstärkt werden. Dabei ist es möglich, im einfachsten Fall die Spiegelflächen gerade, ohne parabolischen Anteil vorzusehen und einen entsprechenden Sammelspiegel in dem Laserkopf selbst anzuordnen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung erfolgt in dem Laserkopf die Aussendung des Laserstrahls in der Ebene durch einen rotierenden Spiegel.
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Beispielsweise kann eine Lasereinheit fest in dem Laserkopf montiert sein und die rotierende Aussendung in der Ebene nur durch einen sich um die eigene Achse drehenden 45° Spiegel erfolgen. Weiterhin ist es auch denkbar, beginnend von einem Laserabstandssensor einen Laserstrahl einzelnen zu einer dreidimensionalen Abtastung abzulenken, indem zwei rotierende Spiegelräder, beispielsweise Prismenspiegelräder, orthogonal um den Laserabstandssensor positioniert werden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt
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1 schematisch im Querschnitt einen Laserscanner nach dem Stand der Technik,
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2 einen erfindungsgemäßen Laserscanner im Querschnitt,
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Laserscanners im Querschnitt und
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4 ein Ausführungsbeispiel eines Spiegelrings in einer perspektivischen Darstellung.
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Die 1 zeigt schematisch im Querschnitt einen Laserscanner 1 nach dem Stand der Technik. Ein Laserkopf 2, der durch eine Antriebseinheit 3 in eine Rotationsbewegung versetzt wird, wie durch den Pfeil angedeutet, sendet einen Laserstrahl 4 in eine zur Darstellung senkrechte Ebene aus. Durch eine zusätzliche Schwenkbewegung des gesamten Laserkopfs 2, entsprechend dem Doppelpfeil, werden Winkel oberhalb und unterhalb der Ebene erreicht und erfolgt durch den zweidimensionalen Laserkopf 2 eine dreidimensionale Erfassung des Raums.
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Die 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Laserscanner 1 im Querschnitt. Der vorherigen Ausführungsform entsprechende Bauteile sind wie auch zukünftig mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Laserkopf 2 sendet den Laserstrahl 4 rotierend in eine Ebene senkrecht zur Darstellung aus. Durch einen Spiegelring 5, der als Spiegeltrichter 6 ausgebildet ist, wird der Laserstrahl 4 in der Darstellung nach oben abgelenkt. Dabei weist der Spiegeltrichter 6 kontinuierlich übergehende Winkel zwischen einem maximalen Winkel von 45° bis zu einem minimalen Winkel von 0° auf. Dadurch kann durch eine Hubbewegung des Spiegelrings 5, die durch den Doppelpfeil angedeutet, jeder Ablenkwinkel zwischen 90° nach oben und 0° eingestellt werden. Es kann beispielsweise zu jeder Hubhöhe eine volle Zeile durch eine Umdrehung des Laserkopf 2 eingescannt werden und dann durch eine Hubbewegung eine neue Zeile mit einem anderen Ablenkwinkel eingestellt werden.
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Die 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Laserscanners 1 mit dem rotierenden Laserkopf 2 und einem in eine Ebene ausgesandten Laserstrahl 4 im Querschnitt. Der Spiegelring 5 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als doppelter Spiegeltrichter 7 ausgeführt mit einem oberen Spiegeltrichter 8 und einem unteren Spiegeltrichter 9, die jeweils von einem maximalen Winkel, im Beispielsfall von 45°, bis zu einem minimalen Winkel gegenüber der Ebene geneigt sind. Dadurch ist ein Scannen sowohl oberhalb der Ebene, die auch unterhalb der Ebene abhängig von der Hubhöhe des Spiegel 16 möglich.
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Die 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Spiegelrings 5 in einer perspektivischen Darstellung, der als Band 10 ausgeführt ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ändert das Band seinen Winkel gegenüber der Ebene in dem in der Darstellung rechten vorderen Bereich 11 von 0° bis zu 45° in einem Bereich 12 diagonal gegenüber. Durch eine Umdrehung des Bandes kann damit ein feststehender Laserstrahl in einem Winkelbereich zwischen 0° und 90° nach oben abgelenkt werden. Wenn daher das Band 10 synchron mit dem Laserstrahl 4 umläuft und der relative Winkel zwischen Band 10 und umlaufenden Laserstrahl 4 auf verschiedene Werte eingestellt wird, kann beispielsweise zeilenweise der gesamte Bereich oberhalb der Ebene gescannt werden.
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Alternativ kann durch eine asynchrone Drehung zwischen umlaufenden Laserstrahl 4 und umlaufenden Band 10 eine spiralförmige Abtastung des Raumes oberhalb der Ebene erreicht werden.
