DE102015214857A1 - Method and system for creating a three-dimensional model of a production environment - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Erstellen eines dreidimensionalen Modells einer Umgebung (1), insbesondere einer Produktionsumgebung, mit einer Anzahl an Objekten (2, 3, 4), insbesondere Produktionsressourcen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst in einem Schritt a) die Anordnung von zumindest drei Markern (7, 8, 9, 10) in der zu vermessenden Umgebung (1), wobei jeder der Marker (7, 8, 9, 10) derart beschaffen ist, dass er durch einen Laserscanner (5), der zur Abtastung der Umgebung (1) ausgebildet ist, von unterschiedlichen Messorten erfassbar und eindeutig identifizierbar ist. In einem Schritt b) erfolgt die Ermittlung zumindest eines Parameters (12, 13, 14, 15) für jeden der Marker (7, 8, 9, 10), wobei der zumindest eine Parameter (12, 13, 14, 15) die jeweilige Lage des Markers (7, 8, 9, 10) relativ zu dem an einem Messort (11) angeordneten Laserscanner (5) charakterisiert, wobei die Ermittlung des zumindest einen Parameters (12, 13, 14, 15) durch Abtastung der Umgebung (1) mit dem Laserscanner (5) erfolgt, der an dem Messort (11) angeordnet ist. In Schritt c) wird die Umgebung (1) mit dem Laserscanner (5) von einem ersten Messort (11) aus abgetastet, wobei bei der Abtastung eine erste Punktwolke mit einer diskreten Menge von dreidimensional verteilten Abtastpunkten der Umgebung (1) ermittelt wird. Ferner umfasst die Erfindung in einem Schritt d) die Erkennung und Detektion der Lage der zumindest drei Marker (7, 8, 9, 10) in der ersten Punktwolke durch Verarbeitung des für jeden Marker (7, 8, 9, 10) ermittelten Parameters (12, 13, 14, 15). In Schritt e) erfolgt eine Wiederholung der Schritte b), c) und d) für zumindest einen zweiten Messort (11), wodurch zumindest eine zweite Punktwolke und die Lage der zumindest drei Marker (7, 8, 9, 10) in der zweiten Punktwolke gewonnen wird. Schließlich wird in einem Schritt f) eine Oberflächengeometrie aus der ersten und der zumindest einen zweiten Punktwolke ermittelt, indem die Abtastpunkte der ersten und der zumindest einen zweiten Punktwolke derart kombiniert werden, dass die zumindest drei Marker (7, 8, 9, 10) aller Punktwolken bei der Überlagerung ineinander liegen.The invention describes a method for creating a three-dimensional model of an environment (1), in particular a production environment, with a number of objects (2, 3, 4), in particular production resources. The method according to the invention comprises, in a step a), the arrangement of at least three markers (7, 8, 9, 10) in the environment (1) to be measured, each of the markers (7, 8, 9, 10) being such in that it can be detected and clearly identified by different measuring locations by means of a laser scanner (5) which is designed to scan the surroundings (1). In a step b), at least one parameter (12, 13, 14, 15) is determined for each of the markers (7, 8, 9, 10), the at least one parameter (12, 13, 14, 15) being the respective Position of the marker (7, 8, 9, 10) relative to the at a measuring point (11) arranged laser scanner (5) characterized, wherein the determination of the at least one parameter (12, 13, 14, 15) by scanning the environment (1 ) with the laser scanner (5), which is arranged at the measuring location (11). In step c), the environment (1) is scanned with the laser scanner (5) from a first measuring location (11), wherein the sampling a first point cloud with a discrete set of three-dimensionally distributed sampling points of the environment (1) is determined. Furthermore, in a step d) the invention comprises the detection and detection of the position of the at least three markers (7, 8, 9, 10) in the first point cloud by processing the parameter determined for each marker (7, 8, 9, 10) ( 12, 13, 14, 15). In step e), steps b), c) and d) are repeated for at least one second measuring location (11), whereby at least one second point cloud and the position of the at least three markers (7, 8, 9, 10) in the second Point cloud is won. Finally, in a step f), a surface geometry from the first and the at least one second point cloud is determined by combining the sampling points of the first and the at least one second point cloud such that the at least three markers (7, 8, 9, 10) of all Point clouds lie in each other when superimposed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen eines dreidimensionalen Modells einer Umgebung, insbesondere Produktionsumgebung, mit einer Anzahl an Objekten, insbesondere Produktionsressourcen. Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Laserscanner, einen Marker und ein System zum Erstellen eines dreidimensionalen Modells, welches einen erfindungsgemäßen Laserscanner und mehrere erfindungsgemäße Marker umfasst. The invention relates to a method for creating a three-dimensional model of an environment, in particular a production environment, with a number of objects, in particular production resources. The invention further relates to a laser scanner, a marker and a system for creating a three-dimensional model comprising a laser scanner according to the invention and a plurality of markers according to the invention.
Laserscanning oder Laserabtastung bezeichnet das zeilen- oder rasterartige Überstreichen von Oberflächen oder Körpern mit einem Laserstrahl, um diese zu vermessen, zu bearbeiten oder um ein Bild zu erzeugen. Sensoren, die den Laserstrahl entsprechend ablenken, heißen Laserscanner. Ein Laserscanner besteht aus einem Scan- oder Abtastkopf und einer Treiber- und Ansteuerelektronik. Beim Laserscanning wird die Oberflächengeometrie von Gegenständen, z.B. mittels Pulslaufzeit, Phasendifferenz im Vergleich zu einer Referenz oder durch Triangulation von Laserstrahlen, digital erfasst. Dabei entsteht eine diskrete Menge von Abtastpunkten, die als Punktwolke bezeichnet wird. Die Koordinaten der gemessenen Punkte werden aus den Winkeln und der Entfernung in Bezug zu einem Ursprung, z.B. dem Standort des Laserscanners, ermittelt. Das dreidimensionale Laserscanning liefert als Ergebnis eine dreidimensionale Punktwolke und somit ein vollständiges Abbild einer Messszene. Anhand der Punktwolke werden beispielsweise Einzelmaße, wie z.B. Längen und Winkel, bestimmt oder es wird aus ihr eine geschlossene Oberfläche konstruiert und zur Visualisierung verwendet. Dadurch ist es beispielsweise möglich, im Umfeld von Produktionsanlagen, ein vollständiges dreidimensionales Modell der Produktionsumgebung mit einer darin angeordneten Anzahl an Produktionsressourcen zu erstellen. Produktionsressourcen können beispielsweise Roboter, Maschinen, Werkzeuge, Wände, Säulen, Träger oder andere Gegenstände sein. Laser scanning or laser scanning refers to the line or raster-like sweeping of surfaces or bodies with a laser beam in order to measure, process or create an image. Sensors that deflect the laser beam accordingly are called laser scanners. A laser scanner consists of a scanning or scanning head and a driver and control electronics. In laser scanning, the surface geometry of objects, e.g. by means of pulse transit time, phase difference in comparison to a reference or by triangulation of laser beams, recorded digitally. This results in a discrete set of sampling points, which is referred to as a point cloud. The coordinates of the measured points are determined from the angles and the distance with respect to an origin, e.g. the location of the laser scanner. As a result, three-dimensional laser scanning yields a three-dimensional point cloud and thus a complete image of a measurement scene. On the basis of the point cloud, for example, individual dimensions, such as Lengths and angles, determined or it is constructed from a closed surface and used for visualization. This makes it possible, for example, to create a complete three-dimensional model of the production environment with a number of production resources arranged therein in the vicinity of production plants. Production resources can be, for example, robots, machines, tools, walls, columns, carriers or other objects.
Ein Problem der Erstellung eines dreidimensionalen Modells besteht darin, dass es erforderlich ist, den Laserscanner derart zu platzieren, dass möglichst alle Abschattungen kompensiert werden können. Ist dies nicht möglich, sind mehrere Messungen von unterschiedlichen Messorten durchzuführen und die jeweiligen Punktwolken miteinander zu kombinieren. A problem of creating a three-dimensional model is that it is necessary to place the laser scanner in such a way that as far as possible all shadowing can be compensated. If this is not possible, several measurements must be taken from different measuring locations and the respective point clouds combined.
Ein Verfahren zur Detektion bzw. Lageerkennung von bekannten Objekten ist beispielsweise aus der
Die
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das die Erstellung eines dreidimensionalen Modells einer Umgebung, insbesondere einer Produktionsumgebung mit einer Anzahl an Produktionsressourcen, auf einfachere und schnellere Weise mit hoher Präzision ermöglicht. It is an object of the present invention to provide a method that enables the creation of a three-dimensional model of an environment, in particular a production environment with a number of production resources, in a simpler and faster manner with high precision.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Laserscanner und weitere Hilfsmittel anzugeben, welche die effiziente Durchführung des Verfahrens ermöglichen. Another object of the invention is to provide a laser scanner and other tools that enable the efficient implementation of the method.
Es ist schließlich Aufgabe der Erfindung, ein System zum Erstellen eines dreidimensionalen Modells einer Umgebung anzugeben, welches die schnelle Durchführung des Verfahrens mit hoher Effizienz und geringem Aufwand erlaubt. It is finally an object of the invention to provide a system for creating a three-dimensional model of an environment, which allows the rapid implementation of the method with high efficiency and little effort.
Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruches 1, ein Computerprogrammprodukt gemäß den Merkmalen des Anspruches 14, einen Marker gemäß den Merkmalen des Anspruches 15, einen Laserscanner gemäß den Merkmalen des Anspruches 18 und ein System gemäß den Merkmalen des Anspruches 22. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. These objects are achieved by a method according to the features of claim 1, a computer program product according to the features of claim 14, a marker according to the features of claim 15, a laser scanner according to the features of claim 18 and a system according to the features of claim 22. Advantageous embodiments emerge from the dependent claims.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Erstellen eines dreidimensionalen Modells einer Umgebung mit einer Anzahl an Objekten. Bei der Umgebung handelt es sich insbesondere um eine Produktionsumgebung mit Produktionsressourcen. Solche Produktionsressourcen können beispielsweise Roboter, Maschinen, Werkzeuge sein. Andere Objekte sind beispielsweise Wände, Säulen, Träger oder andere Gegenstände in der Umgebung. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- a) Anordnung von zumindest drei Markern in der zu vermessenden Umgebung, wobei jeder der Marker derart beschaffen ist, dass er durch einen Laserscanner, der zur Abtastung der Umgebung ausgebildet ist, von unterschiedlichen Messorten erfassbar, insbesondere eindeutig, identifizierbar, ist. Die Marker können derart in der Umgebung angeordnet sein, dass diese nach einer Abtastung rückstandslos von ihrem Anbringungsort entfernbar bzw. von diesem demontierbar sind. Die Anbringungsorte der Marker können derart beschaffen sein, dass diese auch für spätere Messungen wieder verwendet werden können.
- b) Ermittlung zumindest eines Parameters für jeden der Marker, wobei der zumindest eine Parameter die jeweilige Lage des Markers relativ zu dem an einem Messort angeordneten Laserscanner charakterisiert, wobei die Ermittlung des zumindest einen Parameters durch Abtastung der Umgebung mit dem Laserscanner erfolgt, der an dem Messort angeordnet ist. Durch diesen Schritt wird somit die Position jedes der Marker relativ zu einem bestimmten Messort durch Abtastung mit dem Laserscanner ermittelt.
- c) Abtastung der Umgebung mit dem Laserscanner von einem ersten Messort aus, wobei bei der Abtastung eine erste Punktwolke mit einer diskreten Menge von dreidimensional verteilten Abtastpunkten der Umgebung ermittelt wird. Die Abtastung der Umgebung mit dem Laserscanner von dem ersten Messort aus erfolgt zeitlich nachdem für jeden der Marker der in Schritt b) erwähnte, zumindest eine Parameter ermittelt wurde.
- d) Erkennung und Detektion der Lage der zumindest drei Marker in der ersten Punktwolke durch Verarbeitung des für jeden Marker ermittelten Parameters. Die Erkennung und Detektion der Lage der zumindest drei Parameter erfolgt unter Zuhilfenahme der in Schritt b) vorab ermittelten Parameter, welche die jeweilige Lage eines Markers relativ zu dem Messort charakterisieren.
- e) Wiederholung der Schritte b), c) und d) für zumindest einen zweiten Messort, wodurch eine zweite Punktwolke und die Lage der zumindest drei Marker in der zweiten Punktwolke gewonnen wird. Der zweite Messort ist ein von dem ersten Messort unterschiedlicher Messort. Von dem zweiten Messort wird die Umgebung aus einer anderen Perspektive abgetastet.
- f) Ermittlung einer Oberflächengeometrie aus der ersten und der zumindest einen zweiten Punktwolke, indem die Abtastpunkte der ersten und der zumindest einen zweiten Punktwolke derart kombiniert werden, dass die zumindest drei Marker aller Punktwolken bei der Überlagerung ineinander liegen. Dadurch ist durch mehrfache Abtastung die Ermittlung einer vollständigen Oberflächengeometrie der Umgebung möglich.
- a) arrangement of at least three markers in the environment to be measured, each of the markers being such that it can be detected, in particular unambiguously, identifiable by a laser scanner, which is designed to scan the environment, from different measurement locations. The markers can be arranged in the environment such that they are without residue after scanning from their mounting location removable or can be removed from this. The locations of the markers can be such that they can also be used again for later measurements.
- b) determining at least one parameter for each of the markers, wherein the at least one parameter characterizes the respective position of the marker relative to the laser scanner arranged at a measuring location, wherein the determination of the at least one parameter takes place by scanning the surroundings with the laser scanner which is connected to the laser scanner Measuring location is arranged. This step thus determines the position of each of the markers relative to a particular measurement location by scanning with the laser scanner.
- c) scanning the environment with the laser scanner from a first measurement location, wherein the scan is a first point cloud with a discrete amount of three-dimensionally distributed sampling points of the environment is determined. The scanning of the environment with the laser scanner from the first measuring location takes place in time after at least one parameter has been determined for each of the markers mentioned in step b).
- d) Detecting and detecting the position of the at least three markers in the first point cloud by processing the parameter determined for each marker. The detection and detection of the position of the at least three parameters takes place with the aid of the parameters determined in advance in step b), which characterize the respective position of a marker relative to the measuring location.
- e) repeating steps b), c) and d) for at least one second measuring location, whereby a second point cloud and the position of the at least three markers in the second point cloud is obtained. The second location is a different location from the first location. From the second location, the environment is scanned from a different perspective.
- f) Determining a surface geometry from the first and the at least one second point cloud, by combining the sampling points of the first and the at least one second point cloud in such a way that the at least three markers of all point clouds lie in one another during the superposition. As a result, multiple sampling makes it possible to determine a complete surface geometry of the environment.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein an sich bekanntes Verfahren genutzt, indem eine zu vermessende Umgebung aus unterschiedlichen Perspektiven mit Hilfe eines Laserscanners abgetastet wird. Um die bei den verschiedenen Abtastungen erfassten Messwerte in Gestalt von Abtastpunkten im dreidimensionalen Raum miteinander kombinieren zu können, wird eine Anzahl an Markern in der zu vermessenden Umgebung angeordnet. Bei herkömmlichen Verfahren werden die Marker durch eine Recheneinheit im Nachgang zu einer Abtastung erkannt werden. Nach der Erkennung erfolgt die Ermittlung einer geometrischen Relation der Marker zueinander. Beispielsweise können dazu die Mittelpunkte der als Kugeln ausgebildeten Marker und deren Distanz zueinander bestimmt werden. Dieses Vorgehen muss für jede Abtastung wiederholt werden. Durch „Übereinanderlegen“ der Geometrie der Marker im dreidimensionalen Raum und einer Prüfung, ob diese ineinander passen, kann dann das Gesamtmodell ermittelt werden. Dieses Vorgehen ist jedoch zeit- und rechenintensiv, da die Marker durch Verarbeitung der dreidimensional verteilten Abtastpunkte aus den Punktwolken ermittelt, d.h. erkannt, werden müssen. Dabei kommt es häufig zu Fehlern, wenn beispielsweise den Markern ähnliche Objekte oder Gegenstände fälschlicherweise als Marker identifiziert werden. Hierdurch ist häufig eine manuelle Nachbearbeitung erforderlich. In the method according to the invention, a method known per se is used by scanning an environment to be measured from different perspectives with the aid of a laser scanner. In order to be able to combine the measured values acquired in the various scans in the form of sampling points in three-dimensional space, a number of markers are arranged in the environment to be measured. In conventional methods, the markers will be recognized by a computing unit following a scan. After recognition, the determination of a geometric relation of the markers takes place relative to one another. For example, the centers of the markers formed as balls and their distance from one another can be determined for this purpose. This procedure must be repeated for each scan. By "overlaying" the geometry of the markers in three-dimensional space and checking whether they fit together, the overall model can then be determined. However, this approach is time consuming and computationally intensive because the markers are determined by processing the three-dimensionally distributed sampling points from the point clouds, i. to be recognized. This often leads to errors, for example, if the markers similar objects or objects are incorrectly identified as a marker. This often requires manual post-processing.
Im Gegensatz dazu sieht das vorliegende Verfahren vor, die Position der Marker in der zu vermessenden Umgebung vorab mit Hilfe des Laserscanners zu bestimmen. Ebenso kann beispielsweise eine geometrische Relation der Marker zueinander bereits vor der eigentlichen Abtastung der Umgebung erfolgen. Damit ist bereits während der nachfolgenden Abtastung(en) bekannt, wo in den Punktwolken die Marker enthalten sind. Dadurch ist die Nachbearbeitung der Abtastungen schneller, ebenso kann ein aufwändiges Preprocessing entfallen, um Marker in den einzelnen Abtastungen zu detektieren. Insbesondere können Fehler im Hinblick auf die Identifikation von Markern vermieden werden. Im Ergebnis ist es zudem möglich, in Echtzeit bzw. während eines Abtastvorgangs festzustellen, an welchem Messort sich der Laserscanner befindet, wodurch ebenfalls die Weiterverarbeitung der Abtastwerte vereinfacht wird. In contrast, the present method provides for determining the position of the markers in the environment to be measured in advance by means of the laser scanner. Likewise, for example, a geometric relation of the markers to each other can already take place before the actual scanning of the surroundings. Thus it is already known during the subsequent scan (s) where the markers are contained in the point clouds. As a result, the post-processing of the samples faster, as well as a costly preprocessing can be omitted to detect markers in the individual scans. In particular, errors with regard to the identification of markers can be avoided. As a result, it is also possible to determine in real time or during a scanning process at which measuring location the laser scanner is located, which also simplifies the further processing of the sampled values.
Der Parameter, der die jeweilige Lage der Marker relativ zu dem an einem der Messorte angeordneten Laserscanner beschreibt, umfasst zweckmäßigerweise eine Richtungsinformation. Die Richtung bezieht sich dabei auf ein zuvor definiertes Koordinatensystem, welches zweckmäßigerweise kartesisch ist. Der Ursprung des Koordinatensystems kann grundsätzlich beliebig gewählt werden. So ist es möglich, dass der Ursprung des Koordinatensystems in der zu vermessenden Umgebung liegt. Der Ursprung des Koordinatensystems kann jedoch auch außerhalb der zu vermessenden Umgebung gewählt sein, und z.B. in einem markanten Punkt liegen, wie z.B. einem Gebäude, einem Kirchturm, usw. The parameter which describes the respective position of the markers relative to the laser scanner arranged at one of the measuring locations expediently comprises a direction information. The direction refers to a previously defined coordinate system, which is expediently Cartesian. The origin of the coordinate system can basically be chosen arbitrarily. So it is possible that the origin of the coordinate system lies in the environment to be measured. However, the origin of the coordinate system may also be chosen outside the environment to be measured, and e.g. are at a prominent point, such as a building, a church tower, etc.
Zweckmäßigerweise umfasst der Parameter, der die jeweilige Lage der Marker relativ zu dem an einem der Messorte angeordneten Laserscanner beschreibt, eine Distanz zwischen dem Laserscanner und dem jeweiligen Marker sowie zumindest eine Winkelinformation. Die Distanz bezieht sich z.B. auf einen bekannten Ursprung des Laserscanners und einen Mittelpunkt des Markers. Die Winkelinformation wiederum bezieht sich auf das zuvor gewählte Koordinatensystem. Expediently, the parameter which describes the respective position of the markers relative to the laser scanner arranged at one of the measuring locations comprises a distance between the laser scanner and the respective marker as well as at least one Angle information. The distance refers, for example, to a known origin of the laser scanner and a center of the marker. The angle information in turn refers to the previously selected coordinate system.
Die Anzahl der Marker kann grundsätzlich beliebig gewählt werden, solange bei jeder Abtastung zumindest drei Marker in den erfassten Daten enthalten sind. Dabei ist zu beachten, dass die aus Abtastungen resultierenden Punktwolken, welche miteinander kombiniert werden sollen, die gleichen drei Marker umfassen. Andernfalls ist eine Kombination und Referenzierung der Punktwolken bzw. Abtastungen (Scans) zueinander nicht möglich. The number of markers can basically be chosen arbitrarily, as long as each scan contains at least three markers in the acquired data. It should be noted that the point clouds resulting from scans, which are to be combined with each other, comprise the same three markers. Otherwise, a combination and referencing of the point clouds or scans to each other is not possible.
Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn zwischen der Abtastung der Umgebung mit dem Laserscanner von einem der Messorte und einer zeitlich darauf folgenden Abtastung der Umgebung von einem anderen der Messorte die Position und/oder Lage der Marker nicht verändert wird. Nur dadurch kann sichergestellt werden, dass bei miteinander zu kombinierende Punktwolken die drei Marker ineinander gelegt werden können. It is also expedient if the position and / or position of the markers is not changed between the scanning of the surroundings with the laser scanner from one of the measuring locations and a temporally subsequent scanning of the surroundings from another of the measuring locations. Only in this way can it be ensured that in the case of point clouds to be combined with one another, the three markers can be interlaced.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Laserscanner zur Ermittlung der Oberflächengeometrie der Umgebung nur solche Parameter verarbeitet, die solchen Markern zugeordnet sind, bei denen zwischen zwei Abtastungen keine Veränderung der Position detektiert wurde. Hierdurch ist sichergestellt, dass die zumindest drei Marker der Punktwolken bei der Überlagerung ineinander gelegt werden können, wodurch die korrekte Oberflächengeometrie der zu vermessenden Umgebung bestimmt werden kann. It can furthermore be provided that the laser scanner processes only the parameters associated with those markers for detecting the surface geometry of the environment in which no change in position was detected between two scans. This ensures that the at least three markers of the point clouds can be superposed in the overlay, whereby the correct surface geometry of the environment to be measured can be determined.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst jeder der Marker eine Kommunikationseinrichtung, wobei zur Ermittlung des zumindest einen Parameters ein jeweiliger Marker ein Signal oder eine Nachricht aussendet, anhand dem oder der der Laserscanner eine jeweilige Lageinformation des betreffenden Markers ermitteln kann. Beispielsweise kann hierzu ein Marker ein Schallsignal aussenden. Der Laserscanner ermittelt aus dem Schallsignal die Richtung und eventuell auch die (ungefähre) Distanz zu dem das Schallsignal aussendenden Marker. Nachdem die ungefähre Richtung bestimmt wurde, ermittelt der Laserscanner durch Abtastung dann die genauen Lageinformationen, d.h. den oben erwähnten zumindest einen Parameter. According to a further embodiment, each of the markers comprises a communication device, wherein for determining the at least one parameter, a respective marker emits a signal or a message on the basis of which the laser scanner can determine a respective position information of the relevant marker. For example, a marker can emit a sound signal for this purpose. The laser scanner determines from the sound signal the direction and possibly also the (approximate) distance to the marker emitting the sound signal. After the approximate direction has been determined, the laser scanner then scans the exact location information, i. the above-mentioned at least one parameter.
Jeder Marker ist derart beschaffen, dass er durch den Laserscanner anhand seiner Form und/oder Größe und/oder Oberflächenbeschaffenheit und/oder Farbe eindeutig identifiziert werden kann. Die eindeutige Identifikation erleichtert es, die Marker in der durch Abtastung gewonnenen Punktwolke zu erkennen und für die weitere Verarbeitung zu identifizieren. Insbesondere kann hierdurch die für die Überlagerung genutzte geometrische Anordnung der Marker untereinander auf einfache und präzise Weise ermittelt werden. Ferner kann die Ermittlung der Position jedes Markers hierdurch in verhältnismäßig kurzer Zeit erfolgen. Each marker is such that it can be uniquely identified by the laser scanner based on its shape and / or size and / or surface condition and / or color. The unique identification makes it easier to identify the markers in the scanned point cloud and to identify it for further processing. In particular, this makes it possible to determine the geometric arrangement of the markers used for superimposition in a simple and precise manner. Furthermore, the determination of the position of each marker can thereby be done in a relatively short time.
In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, wenn der Laserscanner jedem der detektierten Marker eine Identifikation zuweist. Eine Identifikation kann beispielsweise eine eindeutige, z.B. fortlaufende, Nummer und dergleichen sein. Alternativ kann der Laserscanner von jedem der Marker ein Identifikationsdatum empfangen. Das Identifikationsdatum kann hierzu von der Kommunikationseinrichtung an den Laserscanner übertragen werden. Wird dieses Signal z.B. kontinuierlich oder periodisch ausgesendet, kann dieses auch zur Ermittlung der Lageinformation genutzt werden. In this context, it is expedient for the laser scanner to assign an identification to each of the detected markers. For example, an identification may be a unique, e.g. be consecutive, number and the like. Alternatively, the laser scanner may receive an identification date from each of the markers. The identification date can be transmitted from the communication device to the laser scanner for this purpose. If this signal is e.g. transmitted continuously or periodically, this can also be used to determine the position information.
Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn jeder der Marker eine Einrichtung zur Bewegungsdetektion, mit der ein jeweiliger Marker eine Bewegung detektieren kann, umfasst, wobei ein jeweiliger Marker dann, wenn er eine Bewegung detektiert, eine die Bewegung anzeigende Nachricht an den Laserscanner überträgt. Eine Bewegung kann dabei eine bewusste oder unbewusste Veränderung des Orts des Markers in jeder beliebigen Raumrichtung umfassen. Eine Bewegung kann auch schon eine Erschütterung des Markers darstellen. In der Nachricht, in der die Bewegung des Markers an den Laserscanner übertragen wird, kann zudem die den Marker identifizierende Information, z.B. das Identifikationsdatum, übertragen werden. It is furthermore expedient if each of the markers comprises a device for motion detection, with which a respective marker can detect a movement, wherein a respective marker, when it detects a movement, transmits a message indicating the movement to the laser scanner. A movement may include a conscious or unconscious change of the location of the marker in any spatial direction. A movement can also be a shock of the marker. In addition, in the message in which the movement of the marker is transmitted to the laser scanner, the information identifying the marker, e.g. the identification date to be transmitted.
Zweckmäßigerweise berücksichtigt der Laserscanner beim Erhalt der die Bewegung anzeigenden Nachricht den die Nachricht aussendenden Marker bei der Ermittlung der Oberflächengeometrie in einer vorgegebenen Weise. Zum Beispiel wird dieser Marker durch den Laserscanner für die weitere Verarbeitung nicht weiter berücksichtigt, da keine Referenz zu einer zuvor aufgenommenen Abtastung hergestellt werden kann. Alternativ kann der Marker auch ein neues Identifikationsdatum aussenden, wobei das Identifikationsdatum der nunmehr veränderten Position zugeordnet ist, welche eventuell bei zukünftigen Abtastungen berücksichtigt und verarbeitet werden kann. Conveniently, upon receiving the message indicating the movement, the laser scanner considers the message emitting markers in determining the surface geometry in a predetermined manner. For example, this marker will not be considered by the laser scanner for further processing since no reference to a previously acquired sample can be made. Alternatively, the marker may also emit a new identification date, the identification date being associated with the now changed position, which may eventually be considered and processed in future scans.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung kann der Laserscanner für jeden Messort seine Position relativ zu den zumindest drei Markern ermitteln, wobei die Position bei der Ermittlung der Oberflächengeometrie der Umgebung verarbeitet wird. According to a further expedient embodiment, the laser scanner can determine its position relative to the at least three markers for each measuring location, the position being processed in the determination of the surface geometry of the surroundings.
Die Erfindung schafft ferner ein Computerprogrammprodukt, das direkt in den internen Speicher einer digitalen Recheneinheit geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte der vorher beschriebenen Verfahren ausgeführt werden, wenn das Produkt auf einer Recheneinheit läuft. Das Computerprogrammprodukt kann in Gestalt eines physikalischen Datenträgers, wie z.B. einer DVD, einer CD, einem USB-Speicher, einer Speicherkarte, aber auch in Gestalt einer über einen Kommunikationskanal übertragbaren Datei vorliegen. The invention further provides a computer program product directly into the internal memory a digital arithmetic unit can be loaded and includes software code sections, with which the steps of the previously described methods are performed when the product is running on a computing unit. The computer program product can be in the form of a physical data carrier, such as a DVD, a CD, a USB memory, a memory card, but also in the form of a transferable via a communication channel file.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch einen Marker für die Erstellung eines dreidimensionalen Modells einer Umgebung, insbesondere einer Produktionsumgebung, der derart beschaffen ist, dass er anhand seiner Form und/oder Größe und/oder Oberflächenbeschaffenheit und/oder Farbe durch einen Laserscanner eindeutig identifizierbar ist und der eine Kommunikationseinrichtung zur Aussendung eines Signals oder einer Nachricht, anhand dem oder der der Laserscanner eine jeweilige Lageinformation des Markers ermitteln kann, sowie eine Einrichtung zur Detektion von Eigenbewegungen umfasst. The object is further achieved by a marker for creating a three-dimensional model of an environment, in particular a production environment, which is such that it is clearly identifiable by its shape and / or size and / or surface texture and / or color by a laser scanner, and a communication device for emitting a signal or a message, on the basis of which or the laser scanner can determine a respective position information of the marker, and a device for detecting intrinsic movements.
Der Marker kann darüber hinaus einen Energiespeicher zur Versorgung der Kommunikationseinrichtung und der Einrichtung zur Bewegungsdetektion umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der Marker eine Einrichtung zur Energiegewinnung zur Versorgung der Kommunikationseinrichtung und der Einrichtung zur Bewegungsdetektion umfassen. The marker may further comprise an energy store for supplying the communication device and the movement detection device. Alternatively or additionally, the marker may comprise a device for generating energy for supplying the communication device and the device for detecting movement.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch einen Laserscanner zur Abtastung einer Umgebung, insbesondere einer Produktionsumgebung, mit einer Anzahl an Objekten, insbesondere Produktionsressourcen, mit einer Steuer- und Recheneinheit, welche zur Detektion der Lage eines jeweiligen, erfindungsgemäßen Markers gemäß Schritt b) des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist. The object is further achieved by a laser scanner for scanning an environment, in particular a production environment, with a number of objects, in particular production resources, with a control and computing unit, which for detecting the position of a respective inventive marker according to step b) of the above Method is formed.
Der Laserscanner kann ferner dazu ausgebildet sein, ein Signal oder eine Nachricht zu empfangen und zu verarbeiten, anhand dem oder der der Laserscanner eine jeweilige Lage des Markers ermitteln kann. The laser scanner can furthermore be designed to receive and process a signal or a message by means of which the laser scanner can determine a respective position of the marker.
Der Laserscanner kann weiter dazu ausgebildet sein, ein Signal oder eine Nachricht zu empfangen und zu verarbeiten, anhand dem oder der der Laserscanner ein jeweiliges Identifikationsdatum des Markers ermitteln kann. The laser scanner can also be designed to receive and process a signal or message, by means of which the laser scanner can determine a respective identification date of the marker.
Darüber hinaus kann die Steuer- und Recheneinheit des Laserscanners dazu ausgebildet sein, einen jeweiligen Marker in einer durch Abtastung erzeugten Punktwolke zu detektieren und zu identifizieren. In addition, the control and computing unit of the laser scanner can be designed to detect and identify a respective marker in a point cloud generated by scanning.
Die Recheneinheit kann Bestandteil des Laserscanners oder eine davon getrennte Recheneinheit sein, die zum Austausch von Daten mit dem Laserscanner in Verbindung steht. Die Aufgabe der Recheneinheit besteht insbesondere darin, die Vorverarbeitung der Positionsbestimmung der in der zu vermessenden Umgebung angeordneten Marker vorzunehmen und die Oberflächengeometrie der Umgebung zu errechnen. The arithmetic unit may be part of the laser scanner or a separate arithmetic unit, which communicates with the laser scanner for the exchange of data. The task of the arithmetic unit is in particular to carry out the preprocessing of the position determination of the markers arranged in the environment to be measured and to calculate the surface geometry of the surroundings.
Die Aufgabe wird ferner durch ein System zum Erstellen eines dreidimensionalen Modells einer Umgebung, insbesondere einer Produktionsumgebung, mit einer Anzahl an Objekten, insbesondere Produktionsressourcen, gelöst, wobei das System zumindest drei Marker der hier beschriebenen Art und einen Laserscanner der hier beschriebenen Art umfasst. The object is further achieved by a system for creating a three-dimensional model of an environment, in particular a production environment, with a number of objects, in particular production resources, wherein the system comprises at least three markers of the type described here and a laser scanner of the type described here.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments in the drawing. Show it:
Um ein dreidimensionales Modell der Produktionsumgebung
Um die Oberflächengeometrie der Produktionsressourcen
Um eine Kombination verschiedener Messungen von unterschiedlichen Messorten
Die Marker sind relativ zu den Messorten
In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Laserscanner
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht, wie beschrieben, als ersten Schritt S71 des in
Darüber hinaus verfügt ein jeweiliger Marker
Um ein solches, von einem jeweiligen Marker
In einem zweiten Schritt S72 erfolgt die Ermittlung der Position jedes Markers
Die Positionsparameter
Die Ermittlung der Position jedes Markers
Alternativ können die Marker durch Aussenden eines entsprechenden Signals dem Laserscanner eine Richtungsinformation übermitteln, so dass die Ermittlung der Position des betreffenden Markers
In einem dritten Schritt S73 erfolgt dann die Abtastung der zu vermessenden Produktionsumgebung
Nach Beendigung der Abtastung wird der Laserscanner an den zweiten Messort
Dieses Vorgehen wird beispielhaft ein weiteres Mal für den dritten Messort
Ist die Anzahl der Abtastungen ausreichend (Schritt S78), so erfolgt die Ermittlung einer Oberflächengeometrie in Schritt S79. Die Ermittlung der Oberflächengeometrie erfolgt aus der ersten, der zweiten und der dritten Punktwolke, indem die Abtastpunkte der ersten, der zweiten und der dritten Punktwolke derart kombiniert werden, dass die übereinstimmend erkannten Marker (hier:
Das Verfahren nutzt somit eine vor der Durchführung des eigentlichen Messverfahrens erfolgende Detektion und Identifikation von Markern. Für jeden Messort kann der Laserscanner
Da das Verfahren lediglich dann durchzuführen ist, wenn sichergestellt ist, dass sich die Marker zwischen den drei Abtastungen nicht bewegt haben, erfolgt eine Detektion einer Bewegung mit Hilfe der bereits erwähnten Einrichtungen
Der Laserscanner
Dadurch, dass der Laserscanner eine Information darüber erhält, wann sich die Position eines Markers verändert, kann der Laserscanner in Echtzeit beurteilen, ob ausreichend viele Marker an den oben beschriebenen konstanten Positionen vorhanden sind. Der Laserscanner nutzt ausschließlich diejenigen Marker, die im obigen Sinne eine konstante Position aufweisen, als Orientierungshilfe für die Kombination der Punktwolken unterschiedlicher Abtastungen. Hat der Laserscanner
Die Kombination mehrerer Punktwolken erfordert, dass in jeder Punktwolke jeweils mindestens drei Marker erkennbar sind, deren Identifikationsdaten sich unterschieden und deren Position konstant zu vorherigen Punktwolken bzw. Abtastungen sind. „Konstant“ bedeutet dabei, dass der Laserscanner
Es ist jedoch nicht erforderlich, dass in jeder Punktwolke alle in der Umgebung verteilten Marker erkennbar sind. Darüber hinaus ist es nicht erforderlich, dass alle Marker dauerhaft an der einmal vorgesehenen Position verbleiben. Marker, die bereits erfasst wurden, können in ihrer Position verändert werden. However, it is not necessary for every point cloud to contain all the markers distributed in the environment are recognizable. In addition, it is not necessary that all markers remain permanently at the once provided position. Markers that have already been detected can be changed in position.
Insbesondere kann es zweckmäßig sein, Marker, die in Anbetracht eines bestimmten Messorts des Laserscanners nicht mehr in dessen Sichtfeld liegen, an einer anderen Position zu platzieren, um so mit einer geringen Anzahl an unterschiedlichen Markern eine große zu vermessende Umgebung, in dem sich einzelne Abtastungen bzw. Punktwolken zueinander referenzieren lassen, abdecken zu können. In particular, it may be expedient to place markers, which are no longer in its field of view in view of a specific measuring location of the laser scanner, at a different position, so that with a small number of different markers a large environment to be measured, in which individual scans or point clouds referenced to each other, to be able to cover.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Umgebung (Produktionsumgebung) Environment (production environment)
- 2 2
- Objekt (Produktionsressource) Object (production resource)
- 3 3
- Objekt (Produktionsressource) Object (production resource)
- 3A 3A
- Dreharm rotating arm
- 3B 3B
- Dreharm rotating arm
- 3C 3C
- Dreharm rotating arm
- 3D 3D
- Arbeitsbereich Workspace
- 4 4
- Objekt (Produktionsressource) Object (production resource)
- 4A 4A
- erste Teilkomponente first subcomponent
- 4B 4B
- zweite Teilkomponente second subcomponent
- 5 5
- Laserscanner laser scanner
- 5S 5S
- Abtastsignal sampling
- 6 6
- durch den Laserscanner nicht erfassbare Bereiche der Produktionsressourcen non-detectable areas of production resources by the laser scanner
- 7 7
- Marker marker
- 8 8th
- Marker marker
- 9 9
- Marker marker
- 10 10
- Marker marker
- 11-1 11-1
- erster Messort first location
- 11-2 11-2
- zweiter Messort second measuring location
- 11-3 11-3
- dritter Messort third measuring location
- 12-1 12-1
-
Positionsparameter für Marker
7 in Bezug auf Messort11-1 Position parameters formarkers 7 in terms of location11-1 - 13-1 13-1
-
Positionsparameter für Marker
8 in Bezug auf Messort11-1 Position parameters for markers8th in terms of location11-1 - 14-1 14-1
-
Positionsparameter für Marker
9 in Bezug auf Messort11-1 Position parameters formarkers 9 in terms of location11-1 - 15-1 15-1
-
Positionsparameter für Marker
10 in Bezug auf Messort11-1 Position parameters formarkers 10 in terms of location11-1 - 12-2 12-2
-
Positionsparameter für Marker
7 in Bezug auf Messort11-2 Position parameters formarkers 7 in terms of location11-2 - 13-2 13-2
-
Positionsparameter für Marker
8 in Bezug auf Messort11-2 Position parameters for markers8th in terms of location11-2 - 14-2 14-2
-
Positionsparameter für Marker
9 in Bezug auf Messort11-2 Position parameters formarkers 9 in terms of location11-2 - 15-2 15-2
-
Positionsparameter für Marker
10 in Bezug auf Messort11-2 Position parameters formarkers 10 in terms of location11-2 - 12-3 12-3
-
Positionsparameter für Marker
7 in Bezug auf Messort11-3 Position parameters formarkers 7 in terms of location11-3 - 13-3 13-3
-
Positionsparameter für Marker
8 in Bezug auf Messort11-3 Position parameters for markers8th in terms of location11-3 - 14-3 14-3
-
Positionsparameter für Marker
9 in Bezug auf Messort11-3 Position parameters formarkers 9 in terms of location11-3 - 15-3 15-3
-
Positionsparameter für Marker
10 in Bezug auf Messort11-3 Position parameters formarkers 10 in terms of location11-3 - 30 30
- Koordinatensystem coordinate system
- 50 50
- Recheneinheit eines Laserscanners Computing unit of a laser scanner
- 51 51
- Abtasteinrichtung scanning
- 52 52
- Kommunikationseinrichtung communicator
- 60 60
-
Recheneinheit eines Markers
7 ,8 ,9 ,10 Computing unit of amarker 7 .8th .9 .10 - 61 61
-
Kommunikationseinrichtung eines Markers
7 ,8 ,9 ,10 Communication device of amarker 7 .8th .9 .10 - 62 62
-
Einrichtung zur Bewegungsdetektion eines Markers
7 ,8 ,9 ,10 Device for detecting the movement of amarker 7 .8th .9 .10 - 63 63
-
Energiespeicher eines Markers
7 ,8 ,9 ,10 Energy storage of amarker 7 .8th .9 .10 - 64 64
-
Energiegewinnungseinrichtung eines Markers
7 ,8 ,9 ,10 Energy recovery device of amarker 7 .8th .9 .10 - S71 S71
- Verfahrensschritt step
- S72 S72
- Verfahrensschritt step
- S73 S73
- Verfahrensschritt step
- S74 S74
- Verfahrensschritt step
- S75 S75
- Verfahrensschritt step
- S76 S76
- Verfahrensschritt step
- S77 S77
- Verfahrensschritt step
- S78 S78
- Verfahrensschritt step
- S79 S79
- Verfahrensschritt step
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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