DE102017218212A1

DE102017218212A1 - Zweidimensionales kartierungssystem und betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102017218212A1
Application number: DE102017218212.1A
Authority: DE
Inventors: Oliver Zweigle; Aleksej Frank
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2016-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2018-04-12
Also published as: US20180100927A1; GB2555723A; GB201716573D0

Abstract

Ein Verfahren und System zur Erzeugung einer zweidimensionalen Karte mit Hilfe eines Scansystems wird bereitgestellt. Das Verfahren umfasst den Empfang von Laserscan-Daten, einer aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte und einer ersten geschätzten Position und Ausrichtung eines Scansystems. Ein Satz von zweidimensionalen Koordinatendaten und ein Satz von dreidimensionalen Koordinatendaten werden erfasst, während das Scansystem von einer ersten Position zu einer zweiten Position bewegt wird. Es wird festgestellt, wenn ein Ort, der in der aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte enthalten ist, neuen Inhalt enthält, und zwar auf der Grundlage des Satzes von dreidimensionalen Koordinatendaten. Es wird festgestellt, wenn ein Wert des neuen Inhalts gleich einem Schwellenwert ist oder diesen überschreitet. Mindestens einer des ersten Satzes zweidimensionaler Koordinatendaten und des Satzes zweidimensionaler Koordinatendaten werden in der aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte zusammengeführt, wenn der Wert des neuen Inhalts gleich dem Schwellenwert ist oder diesen überschreitet.

Description

QUERVERWEIS AUF VERBUNDENE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung ist eine nicht-provisorische Anmeldung der provisorischen US-Anmeldung 62/407,179, die am 12. Oktober 2016 eingereicht wurde und deren Inhalt hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen wird.
HINTERGRUND
Die vorliegende Anmeldung ist ausgerichtet auf ein System zur Erzeugung einer zweidimensionalen Karte eines Bereichs, wie z. B. ein Gebäude, und insbesondere ein zweidimensionales Kartierungssystem, das bewegte Objekte, wie z. B. Türen, berücksichtigt.
Metrologische Geräte, wie z. B. 3D-Laserscanner-TOF(Time-of-Flight)-Koordinatenmessgeräte, können zur Erzeugung von dreidimensionalen Darstellungen von Bereichen, wie z. B. Gebäuden, verwendet werden. Ein 3D-Laserscanner dieser Art lenkt einen Lichtstrahl auf ein nicht-kooperatives Ziel, wie z. B. eine diffus streuende Oberfläche eines Objekts. Ein Distanzsmesser im Gerät misst eine Distanz zum Objekt, und Winkelkodierer messen die Rotationswinkel von zwei Achsen im Gerät. Die gemessene Distanz und die zwei Winkel ermöglichen einem Prozessor im Gerät, die 3D-Koordinaten des Ziels zu bestimmen.
Ein TOF-Laserscanner ist ein Scanner, in dem die Distanz zu einem Zielpunkt auf der Grundlage der Lichtgeschwindigkeit in der Luft zwischen dem Scanner und einem Zielpunkt bestimmt wird. Laserscanner werden normalerweise zum Scannen von geschlossenen oder offenen Räumen, wie z. B. Innenbereiche von Gebäuden, Industrieanlagen und Tunnel, verwendet. Sie können beispielsweise in Industrieanwendungen und Unfallrekonstruktionsanwendungen eingesetzt werden. Ein Laserscanner scannt und misst optisch Objekte in einem Bereich um den Scanner durch die Erfassung von Datenpunkten, die Objektoberflächen innerhalb des Bereichs darstellen. Diese Datenpunkte werden bezogen, indem ein Lichtstrahl auf die Objekte ausgesendet wird und das reflektierte oder gestreute Licht gesammelt wird, um die Distanz, zwei Winkel (d. h. ein Azimut- und ein Zenitwinkel) sowie optional ein Grauskalenwert zu bestimmen. Diese Roh-Scandaten werden gesammelt, gespeichert und an einen Prozessor oder Prozessoren geschickt, um ein 3D-Bild zu erzeugen, das den gescannten Bereich bzw. das gescannte Objekt darstellt.
Einige Systeme verwenden die dreidimensionalen Daten, um eine zweidimensionale Karte oder einen Grundriss des gescannten Bereichs zu erzeugen. Während der TOF-Laserscanner bewegt wird, kann eine genaue 2D-Karte des Bereichs (z. B. ein Bestandsgrundriss [As-Built]) erzeugt werden. Es sollte gewürdigt werden, dass dies z. B. in der Planung des Baus oder Umbaus eines Gebäudes verwendet werden kann. Ein Problem tritt auf, wenn sich ein Objekt während des Scanverfahrens bewegt. In manchen Fällen verwenden diese Systeme natürliche Merkmale zur Datenregistrierung. Wenn sich ein Objekt, wie z. B. eine Tür, während des Scanprozesses bewegt, ist es daher möglich, dass die anschließend für die 2D-Karte generierten Daten nicht korrekt relativ zu den zuvor erfassten Daten ausgerichtet sind. Die Ursache für die Fehlausrichtung der Daten ist, dass die Systeme Merkmale der Tür zur Registrierung verwenden und annehmen, dass die natürlichen Merkmale feststehend sind. Demzufolge können die anschließend erfassten Daten gedreht sein, wie in 1 gezeigt.
In der Karte 20 von 1 wird ein Scan ausgeführt, der eine zweidimensionale Karte eines Korridors 22 erzeugt. Wenn der Bediener die Tür 24 öffnet, um den Raum 26 zu betreten, verwendet das System die Türkante als Bezugspunkt für die Registrierung der Daten. Infolgedessen wird, wenn der Raum 26 gescannt wird und die Daten mit denen des Korridors 22 kombiniert werden, der Raum 26 auf der Karte relativ zum Korridor 22 gedreht, was zu einem falsch ausgerichteten Raum 28 führt.
Während bestehende zweidimensionale Kartierungssysteme für ihre beabsichtigten Zwecke geeignet sind, besteht somit Bedarf nach einem Kartierungssystem, das bestimmte Merkmale von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren und ein System zur Erzeugung einer zweidimensionalen Karte mit Hilfe eines Scansystems bereitgestellt. Das Verfahren umfasst den Empfang von Laserscan-Daten, einer aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte und einer ersten geschätzten Position und Ausrichtung eines Scansystems. Ein Satz von zweidimensionalen Koordinatendaten und ein Satz von dreidimensionalen Koordinatendaten werden erfasst, während das Scansystem von einer ersten Position zu einer zweiten Position bewegt wird. Es wird festgestellt, wenn ein Ort, der in der aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte enthalten ist, neuen Inhalt enthält, und zwar auf der Grundlage des Satzes von dreidimensionalen Koordinatendaten. Es wird festgestellt, wenn ein Wert des neuen Inhalts gleich einem Schwellenwert ist oder diesen überschreitet. Mindestens einer des ersten Satzes zweidimensionaler Koordinatendaten und des Satzes der zweidimensionalen Koordinatendaten wird in der aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte zusammengeführt, wenn der Wert des neuen Inhalts gleich einem Schwellenwert ist oder diesen überschreitet.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung werden ein weiteres Verfahren und System zur Erzeugung einer zweidimensionalen Karte in einem Bereich mit bewegten Objekten bereitgestellt. Das Verfahren umfasst: Bereitstellung eines Scansystems mit einem dreidimensionalen Scanner und einem zweidimensionalen Scansystem, wobei das Scansystem eine mobile Plattform hat, die betätigt werden kann, um das Scansystem von einer ersten Position zu einer zweiten Position zu bewegen; Empfang einer aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte, die eine erste Anordnung von Zellen hat, die Orten in dem Bereich entsprechen, wobei jede der ersten Anordnung von Zellen einen ersten Wert aufweist, der auf den zuvor erfassten Scandaten basiert, und die erste Anordnung von Zellen eine erste Zelle mit einem ersten Wert aufweist; Erfassung eines Satzes von zweidimensionalen Koordinatendaten und eines Satzes von dreidimensionalen Koordinatendaten, während das Scansystem von einer ersten Position zu einer zweiten Position bewegt wird; Erzeugung einer neuen zweidimensionalen Umgebungskarte, die eine zweite Anordnung von Zellen hat, wobei jede der zweiten Anordnung von Zellen einen zweiten Wert aufweist, der auf dem Satz zweidimensionaler Koordinatendaten und dem Satz dreidimensionaler Koordinatendaten basiert, wobei die zweite Anordnung von Zellen eine zweite Zelle mit einem zweiten Wert hat; Registrierung der neuen zweidimensionalen Umgebungskarte mit der aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte, wobei die zweite Zelle dem gleichen Ort im realen Raum wie die erste Zelle entspricht; Feststellung, wenn der Wert der zweiten Zelle von der ersten Zelle unterschiedlich ist; Feststellung, wenn der Wert der zweiten Zelle gleich einem Schwellenwert ist oder diesen überschreitet; und Zusammenführung des mindestens einen des ersten Satzes zweidimensionaler Koordinatendaten und des Satzes zweidimensionaler Koordinatendaten in der aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte, wenn der Wert der zweiten Zelle gleich dem Schwellenwert ist oder diesen überschreitet.
Diese und andere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung, die in Verbindung mit den Zeichnungen zu lesen ist, augenscheinlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der Gegenstand, der als Erfindung angesehen wird, wird spezifisch in den Ansprüchen am Ende der Patentschrift aufgezeigt und eindeutig beansprucht. Die vorstehenden und anderen Merkmale sowie die Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, die in Verbindung mit den angefügten Zeichnungen zu lesen ist, wobei:
1 eine Veranschaulichung einer zweidimensionalen Karte eines Bereichs ist, die mit einem bekannten Kartierungssystem des Stands der Technik erzeugt wird;
2 eine perspektivische Ansicht eines Messsystems gemäß einer Ausführungsform ist;
3 eine perspektivische Ansicht eines Laserscanners gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
4 eine Seitenansicht des Laserscanners ist, die das Messverfahren veranschaulicht;
5 eine schematische Illustration der optischen, mechanischen und elektrischen Komponenten des Laserscanners ist;
6 ein Blockdiagramm ist, das ein Messsystem und ein Prozessorsystem entsprechend einer Ausführungsform zeigt;
7 eine schematische Darstellung eines 3D-Scanners ist, der ein Objekt von zwei Registrierungspositionen entsprechend einer Ausführungsform misst;
8 eine schematische Darstellung eines 2D-Scanners ist, der ein Objekt von einer Vielzahl von Zwischenpositionen entsprechend einer Ausführungsform misst;
9 eine Illustration eines 2D-Scanners ist, der Teile des Objekts von einer Vielzahl von Positionen entsprechend einer Ausführungsform erfasst;
10 eine Illustration des 2D-Scanners ist, der Teile des Objekts von einer Vielzahl von Positionen gemäß einer Ausführungsform erfasst, und zwar von einem Bezugsrahmen des 2D-Scanners gesehen;
11A, 11B und 11C ein Verfahren zur Feststellung von Änderungen der Position und Ausrichtung des 2D-Scanners im Laufe der Zeit entsprechend einer Ausführungsform illustriert;
12 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb des Kartierungssystems ist;
13 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb des Kartierungssystems ist; und
14A, 14B und 14C Illustrationen der 2D-Kartendaten sind, die mit dem System nach 2 erfasst wurden.
Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung, zusammen mit ihren Vorteilen und Merkmalen, und zwar beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die einen 3D-Scanner und einen 2D-Scanner umfasst, die zusammenwirken, um eine automatische Registrierung von 3D-Scans in Umgebungen mit bewegten Objekten, wie z. B. Türen, bereitzustellen.
In 2 ist eine Ausführungsform eines Messsystems 30 gezeigt, das zur Erzeugung zweidimensionaler Karten eines Bereichs verwendet werden kann. Das Messsystem 30 umfasst einen dreidimensionalen (3D) Scanner 32, einen zweidimensionalen (2D) Scanner 34, ein Prozessorsystem 36 und eine bewegliche Plattform 38. Die bewegliche Plattform 38 kann eine Vielzahl von Rädern 40 umfassen. In einer Ausführungsform kann jedes der Räder einen Sperrmechanismus 41 aufweisen, der eine Bewegung der mobilen Plattform 38 verhindert, wenn die Sperren eingerastet werden.
In 3 bis 5 ist der Laserscanner 32 zum optischen Scannen und Messen der Umgebung im Umfeld des Laserscanners 32 gezeigt. Der Laserscanner 32 hat einen Messkopf 40 und ein Unterteil 42. Der Messkopf 40 ist auf dem Unterteil 42 so angebracht, dass der Laserscanner 32 um eine vertikale Achse 44 gedreht werden kann. In einer Ausführungsform umfasst der Messkopf 40 einen kardanischen Punkt 46, der ein Zentrum der Rotation um die vertikale Achse 44 und eine horizontale Achse 48 ist. Der Messkopf 40 weist einen Drehspiegel 50 auf, der um die horizontale Achse 48 gedreht werden kann. Die Drehung um die vertikale Achse kann um den Mittelpunkt des Unterteils 42 erfolgen. Die Begriffe vertikale Achse und horizontale Achse beziehen sich auf den Scanner in seiner normalen aufrechten Position. Anders ausgedrückt, die Achse 44 verläuft ungefähr rechtwinklig zum Fussboden oder Boden und die Achse 48 ist in etwa parallel zum Fußboden oder Boden. Es sollte gewürdigt werden, dass es auch möglich ist, ein 3D-Koordinatenmessgerät in Seitenlage oder auf den Kopf gestellt zu betreiben; um Verwirrung zu vermeiden, können daher jeweils die Begriffe Azimutachse und Zenitachse anstatt der Begriffe vertikale Achse und horizontale Achse verwendet werden. Der Begriff Schwenkachse oder Standachse kann ebenfalls als alternative Terminologie für die vertikale Achse verwendet werden.
Der Messkopf 40 ist des Weiteren mit einem elektromagnetischen Strahlungsemitter, z. B. einem Lichtemitter 52, ausgestattet, der einen emittierten Lichtstrahl 54 aussendet. In einer Ausführungsform ist der emittierte Lichtstrahl 54 ein kohärenter Lichtstrahl, wie z. B. ein Laserstrahl. Der Laserstrahl kann einen Wellenlängenbereich von ca. 300 bis 1600 Nanometer (nm) haben, z. B. 790 Nanometer, 905 Nanometer, 1550 nm oder weniger als 400 Nanometer. Es sollte gewürdigt werden, dass andere elektromagnetische Strahlungsbündel mit größeren oder kleineren Wellenlängen ebenfalls verwendet werden können. Der emittierte Lichtstrahl 54 kann amplituden- oder intensitätsmoduliert sein, z. B. mit einer sinusförmigen oder rechteckförmigen Wellenform. Der emittierte Lichtstrahl 54 wird vom Lichtemitter 52 auf den Drehspiegel 50 emittiert, wo er in die Umgebung abgelenkt wird. Ein reflektierter Lichtstrahl 56 wird von der Umgebung durch ein Objekt 58 reflektiert. Das reflektierte oder gestreute Licht wird durch den Drehspiegel 50 abgefangen und in einen Lichtempfänger 60 geleitet. Die Richtungen des emittierten Lichtstrahls 54 und des reflektierten Lichtstrahls 56 ergeben sich aus den Winkelpositionen des Drehspiegels 50 und des Messkopfs 40 um jeweils die Achsen 44, 48. Diese Winkelpositionen hängen wiederum von den entsprechenden Drehantrieben oder Motoren ab.
Mit dem Lichtemitter 52 und dem Lichtempfänger 60 ist ein Controller 62 verbunden. Der Controller 62 bestimmt für eine Vielzahl von Messpunkten X eine entsprechende Zahl von Distanzen d zwischen dem Laserscanner 32 und den Punkten X auf Objekt 58. Die Distanz zu einem bestimmten Punkt X wird mindestens teilweise auf der Grundlage der Lichtgeschwindigkeit in der Luft bestimmt, durch die sich die elektromagnetische Strahlung vom Gerät zum Objektpunkt X ausbreitet. In einer Ausführungsform wird die Phasenverschiebung der Modulation im vom Laserscanner 32 emittierten Licht und dem Punkt X bestimmt und beurteilt, um eine gemessene Distanz d zu erhalten.
Die Lichtgeschwindigkeit in der Luft hängt von den Eigenschaften der Luft ab, z. B. Lufttemperatur, barometrischer Druck, relative Luftfeuchtigkeit und Kohlendioxidkonzentration. Diese Lufteigenschaften beeinflussen den Refraktionsindex n der Luft. Die Lichtgeschwindigkeit in der Luft ist gleich der Lichtgeschwindkeit im Vakuum c, geteilt durch den Refraktionsindex. Anders ausgedrückt words, c_Luft = c/n. Ein Laserscanner des hier besprochenen Typs basiert auf der Time-of-Flight (TOF; Flugzeit) des Lichts in der Luft (die Hin-und-Zurückzeit, die das Licht braucht, um den Weg vom Gerät zum Objekt und wieder zurück zum Gerät zurückzulegen). Beispiele für TOF-Scanner sind Scanner, die die Hin-und-Zurückzeit anhand des Zeitintervalls zwischen emittierten und rückkehrenden Impulsen (gepulste TOF-Scanner) messen; Scanner, die das Licht sinusartig modulieren und die Phasenverschiebung des rückkehrenden Lichts messen (phasenbasierte Scanner); sowie viele andere Typen. Ein Verfahren zur Messung der Distanz auf der Grundlage der Time-of-Flight (TOF) des Lichts hängt von der Lichtgeschwindigkeit in Luft ab und kann daher leicht von Verfahren zur Messung der Distanz auf der Grundlage von Triangulation unterscheiden werden. Triangulationsbasierte Verfahren beinhalten die Projektion von Licht von einer Lichtquelle entlang einer bestimmten Richtung und anschließende Abfangung des Lichts auf einem Kamerapixel entlang einer bestimmten Richtung. Aufgrund des Umstands, dass die Distanz zwischen der Kamera und dem Projektor bekannt ist, und durch Abstimmung eines projizierten Winkels mit einem empfangenen Winkel ermöglicht das Triangulationsverfahren die Bestimmung der Distanz zum Objekt auf der Grundlage einer bekannten Länge und zweier bekannter Winkel eines Dreiecks. Das Triangulationsverfahren hängt daher nicht direkt von der Lichtgeschwindigkeit in Luft ab.
In einem Betriebsmodus erfolgt das Scannen des Bereichs um den Laserscanner 20 durch relativ schnelle Rotation des Drehspiegels 50 um die Achse 25, während der Messkopf 22 relativ langsam um die Achse 23 gedreht wird und somit die Einheit in einem Spiralmuster bewegt wird. In einer beispielhaften Ausführungsform dreht sich der Drehspiegel mit einer Höchstgeschwindkeit von 5820 Umdrehungen pro Minute. Für einen solchen Scan definiert der kardanische Punkt 27 den Ursprung des lokalen stationären Referenzsystems. Das Unterteil 42 ist in diesem lokalen stationären Referenzsystem gelagert.
Zusätzlich zur Messung einer Distanz d vom kardanischen Punkt 46 zu einem Objektpunkt X kann der Scanner 30 auch Grauskaleninformationen in Bezug auf die empfangene optische Leistung (gleichwertig mit dem Begriff „Helligkeit“) sammeln. Der Grauskalenwert kann mindestens teilweise z. B. durch Integration des bandpassgefilterten und verstärkten Signals im Lichtempfänger 60 über einen Messzeitraum, der dem Objektpunkt X zugeordnet ist, bestimmt werden.
Der Messkopf 40 kann ein Anzeigegerät 64, das im Laserscanner 32 integriert ist, umfassen. Das Anzeigegerät 64 kann einen GUI-Touchscreen 66, wie in 3 gezeigt, umfassen, der dem Bediener die Einstellung der Parameter oder Start des Betriebs des Laserscanners 32 ermöglicht. Zum Beispiel kann der Bildschirm 66 eine Benutzerschnittstelle haben, die es dem Bediener ermöglicht, Messanweisungen an das Gerät auszugeben, und der Bildschirm kann auch Messergebnisse anzeigen.
Der Laserscanner 32 umfasst eine Tragkonstruktion 68, die einen Rahmen für den Messkopf 40 und eine Plattform zur Anbringung der Komponenten des Laserscanners 32 bereitstellt. In einer Ausführungsform ist die Tragkonstruktion 68 aus einem Metall, z. B. Aluminium. Die Tragkonstruktion 68 umfasst ein Querelement 70 mit einem Paar von Wänden 72, 74 an entgegengesetzten Enden. Die Wände 72, 74 sind parallel zu einander und verlaufen in einer dem Unterteil 42 entgegengesetzten Richtung. Umhüllungen 76, 78 sind mit den Wänden 72, 74 gekoppelt und bedecken die Komponenten des Laserscanners 32. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Umhüllungen 76, 78 aus einem Kunststoffmaterial, z. B. Polycarbonat oder Polyethylen. Die Umhüllungen 76, 78 wirken mit den Wänden 72, 74 zusammen, um ein Gehäuse für den Laserscanner 32 zu bilden.
An einem Ende der den Wänden 72, 74 entgegengesetzten Umhüllungen 76, 78 ist ein Paar von Jochen 80, 82 so angeordnet, dass sie die entsprechenden Umhüllungen 76, 78 teilweise abdecken. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Joche 80, 82 aus einem geeigneten haltbaren Material, wie z. B. Aluminium, hergestellt, das die Umhüllungen 76, 78 beim Transport und Betrieb zusätzlich schützt. Die Joche 80, 82 umfassen jeweils einen ersten Armabschnitt 84, der z. B. mit einem Befestigungselement mit dem Querelement 70 neben dem Unterteil 42 gekoppelt ist. Der Armabschnitt 84 für jedes Joch 80, 82 verläuft vom Querelement 70 schräg zu einer äußeren Ecke der entsprechenden Umhüllung 76, 78. Von der äußeren Ecke der Umhüllung verlaufen die Joche 80, 82 entlang der Seitenkante der Umhüllung zu einer entgegengesetzten äußeren Ecke der Umhüllung. Jedes Joch 80, 82 umfasst des Weiteren einen zweiten Armabschnitt, der schräg zu den Wänden 72, 74 verläuft. Es sollte gewürdigt werden, dass die Joche 80, 82 mit dem Querelement 70, den Wänden 72, 74 und den Umhüllungen 76, 78 an mehreren Stellen verbunden sein können.
Das Paar Joche 80, 82 wirkt zusammen, um einen konvexen Raum einzugrenzen, in dem die beiden Umhüllungen 76, 78 angeordnet sind. In der beispielhaften Ausführungsform wirken die Joche 80, 82 zusammen, um alle äußeren Ränder der Umhüllung 76, 78 abzudecken, während die oberen und unteren Armabschnitte über mindestens einen Abschnitt der oberen und unteren Ränder der Umhüllungen 76, 78 hervorstehen. Das bietet Vorteile für den Schutz der Umhüllungen 76, 78 und des Messkopfs 40 vor Beschädigung beim Transport und Betrieb. In anderen Ausführungsformen können die Joche 80, 82 zusätzliche Merkmale umfassen, z. B. Griffe, die das Tragen des Laserscanners 32 erleichtern, oder Befestigungspunkte für z. B. Zubehör.
Oben an dem Querelement 70 ist ein Prisma 86 vorgesehen. Das Prisma 86 verläuft parallel zu den Wänden 72, 74. In der beispielhaften Ausführungsform ist das Prisma 86 integriert als Teil der Tragkonstruktion 68 ausgebildet. In anderen Ausführungsformen ist das Prisma 86 eine separate Komponente, die mit dem Querelement 70 verbunden ist. Wenn der Spiegel 50 rotiert, leitet der Spiegel 50 bei jeder Drehung den emittierten Lichtstrahl 54 auf das Querelement 70 und das Prisma 86. Aufgrund von Nichtlinearitäten in den elektronischen Komponenten, z. B. im Lichtempfänger 60, können die gemessenen Distanzen d von der Signalstärke abhängen, die z. B. als in den Scanner eindringende optische Leistung oder als optische Leistung, die z. B. in optische Detektoren im Lichtempfänger 56 eindringt, gemessen werden kann. In einer Ausführungsform wird eine Distanzkorrektur im Scanner als Funktion (möglicherweise eine nichtlineare Funktion) der Distanz zu einem gemessenen Punkt und der optischen Leistung (im Allgemeinen nicht skalierte Menge der Lichtleistung, die manchmal als „Helligkeit“ bezeichnet wird), die vom gemessenen Punkt zurückgegeben und an einen optischen Detektor im Lichtempfänger 60 geschickt wird, gespeichert. Da das Prisma 86 mit einer bekannten Distanz vom kardanischen Punkt 46 entfernt ist, kann der gemessene optische Leistungswert des vom Prisma 86 reflektierten Lichts zur Korrektur der Distanzmessungen für andere gemessene Punkte verwendet werden, um so einen Ausgleich zu ermöglichen, um die Effekte von Umgebungsvariablen wie z. B. Temperatur zu korrigieren. In der beispielhaften Ausführungsform wird die resultierende Distanzkorrektur vom Controller 62 ausgeführt.
In einer Ausführungsform ist das Unterteil 42 mit einer Schwenk-Einheit (nicht abgebildet) gekoppelt, z. B. wie sie im im gemeinsamen Eigentum befindlichen US-Patent Nr. 8,705,012 (‘012) beschrieben ist, die hier durch Bezugnahme mit aufgenommen wird. Die Schwenkeinheit ist in der Tragkonstruktion 68 untergebracht und umfasst einen Motor, der so konfiguriert ist, dass er den Messkopf 40 um die Achse 44 dreht.
Ein Bilderfassungs-Zusatzgerät 88 kann ein Gerät sein, das einen Parameter erfasst und misst, der mit dem gescannten Bereich oder dem gescannten Objekt assoziiert ist, und das ein Signal bereitstellt, das die gemessenen Mengen über einen Bilderfassungsbereich repräsentiert. Das Bilderfassungs-Zusatzgerät 88 kann ein Pyrometer, ein Wärmebildgerät, ein Detektor für ionisierende Strahlung oder ein Millimeter-Wellendetektor sein, ist aber nicht auf diese beschränkt.
In einer Ausführungsform befindet sich eine Kamera (erstes Bilderfassungsgerät) 90 im Inneren des Scanners 30 und kann die gleiche optische Achse wie das 3D-Scanner-Gerät haben. In dieser Ausführungsform ist das erste Bilderfassungsgerät 90 im Messkopf 40 integriert und so angeordnet, dass es Bilder entlang des gleichen optischen Pfads wie der emittierte Lichtstrahl 54 und der reflektierte Lichtstrahl 56 erfasst. In dieser Ausführungsform wird das Licht vom Lichtemitter 52 von einem feststehenden Spiegel 92 reflektiert und es wandert an den dichroitischen Strahlenteiler 94, der das Licht 96 vom Lichtemitter 52 auf den Drehspiegel 50 reflektiert. Der dichroitische Strahlenteiler 94 ermöglicht Licht, mit anderen Wellenlängen als die Lichtwellenlänge 96 hindurchzufallen. Zum Beispiel kann der Lichtemitter 52 ein Nahinfrarot-Laserlicht (zum Beispiel Licht mit Wellenlängen von 780 nm oder 1150 nm) sein, wobei der dichroitische Strahlenteiler 94 so konfiguriert ist, dass er das Infrarot-Laserlicht reflektiert, während er sichtbares Licht (z. B. Wellenlängen von 400 bis 700 nm) durchtreten lässt. In anderen Ausführungsformen hängt die Bestimmung, ob das Licht durch den Strahlenteiler 94 durchtritt oder reflektiert wird, von der Polarisierung des Lichts ab. Die Digitalkamera 90 erfasst 2D-Fotobilder des gescannten Bereichs, um Farbdaten (Textur) zu erfassen, die dem gescannten Bild hinzugefügt werden. Im Fall einer integrierten Farbkamera, die eine optische Achse hat, die mit der des 3D-Scan-Geräts übereinstimmt, kann die Richtung der Kameraansicht einfach bezogen werden, indem einfach der Lenkmechanismus des Scanners eingestellt wird, z. B. durch Einstellung des Azimutwinkels um die Achse 44 und durch Lenkung des Spiegels 50 um die Achse 48.
In 6 umfasst das Prozessorsystem 36 ein oder mehrere Verarbeitungselemente, die einen 3D-Scanner-Prozessor (Controller) 62, 2D-Prozessor 98, einen externen Computer 100 und einen Cloud-Computer 102 umfassen können. Es sollte gewürdigt werden, dass sich der Cloud-Computer 102 auf ein oder mehr Rechnergeräte bezieht, die zur Kommunikation über ein Netzwerk, z. B. das Internet, verbunden sind. Die Rechnergeräte können in einer verteilten Anordnung angeordnet werden, die zusammenwirken, um Daten vom Prozessorsystem 36 zu verarbeiten. Die Prozessoren können Mikroprozessoren, feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs), Digitalsignalprozessoren (DSPs) und im Allgemeinen beliebige Geräte sein, die Rechnerfunktionen ausführen können. Der eine oder die mehreren Prozessoren haben Zugriff auf einen Speicher (flüchtig oder nicht flüchtig) zum Speichern von Informationen. In einer in 6 veranschaulichten Ausführungsform stellt der Controller 62 einen oder mehrere Prozessoren dar, die im ganzen 3D-Scanner verteilt sind. Die Ausführungsform in 62 enthält ebenfalls den 2D-Prozessor 98 für den 2D-Scanner 34, einen externen Computer 100 und einen oder mehrere Cloud-Computer 102 für Remote-Datenverarbeitungsfähigkeit. In einer anderen Ausführungsform können nur einer oder mehrere der Prozessoren 62, 98, 100 und 102 kombiniert oder im Prozessorsystem integriert sein. Die Kommunikation zwischen den Prozessoren kann über eine drahtgebundene oder drahtlose Datenverbindung bzw. -medium oder eine Kombination davon erfolgen. In einer Ausführungsform wird die Verbindung zwischen dem Prozessor 98 des 2D-Scanners 34 und dem Prozessor 62 des 3D-Scanners 30 per IEEE 802.11 (Wi-Fi) über das Netzwerk-Verbindungsmodul 104 aufgebaut. In einer Ausführungsform werden Scan-Ergebnisse nach jeder Scan-Sitzung auf ein Remote-Netzwerk (z. B. ein verteiltes oder Cloud-Netzwerk) über ein lokales Netzwerk (LAN) oder ein Wide Area Network (WAN) zur Speicherung und zukünftigen Nutzung hochgeladen.
Der 2D-Scanner 36 misst 2D-Koordinaten auf einer Ebene. In den meisten Fällen erfolgt das, indem er Licht innerhalb einer Ebene lenkt, um Objektpunkte in der Umgebung zu erleuchten. Er sammelt das reflektierte (gestreute) Licht von den Objektpunkten, um 2D-Koordinaten der Objektpunkte in der 2D-Ebene zu bestimmen. In einer Ausführungsform tastet der 2D-Scanner einen Lichtfleck über einem Winkel ab, während er gleichzeitig einen Winkelwert und den entsprechenden Distanzwert zu jedem der beleuchteten Objektpunkte misst.
Beispiele für 2D-Scanner-Baueinheiten 108 umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, 2D-Scanner der Sick LMS100 Produktfamilie und 2D-Scanner von Hoyuku, wie z. B. die Hoyuko-Modelle URG-04LX-UG01 und UTM-30LX. Die Scanner der Sick LMS100 Produktfamilie messen Winkel über einen 270-Grad-Bereich und über Distanzen von bis zu 20 Meter. Das Hoyuko-Modell URG-04LX-UG01 ist ein preisgünstiger 2D-Scanner, der Winkel über einen 240-Grad-Bereich und Distanzen von bis zu 4 Meter misst. Das Hoyuko-Modell UTM-30LX ist ein 2D-Scanner, der Winkel über einen 270-Grad-Bereich und Distanzen von bis zu 30 Meter misst. Viele andere 2D-Scannertypen sind ebenfalls auf dem Markt erhältlich.
In einer Ausführungsform kann ein optionaler Positions-/Ausrichtungssensor 106 im 2D-Scannerzubehör 32 Neigungsmesser (Beschleunigungsmesser), Gyroskope, Magnetometer und Höhenmesser umfassen. In der Regel werden Geräte, die einen oder mehrere Neigungsmesser und Gyroskope enthalten, als Trägheitsmesseinheit (IMU; Inertial Measurement Unit) bezeichnet. In manchen Fällen wird der Begriff IMU breiter gefasst, um verschiedene Zusatzgeräte mit einzubeziehen, die Position und/oder Ausrichtung anzeigen – z. B. Magnetometer, die Heading (Kurswinkel) auf der Grundlage von Änderungen der Magnetfeldrichtung relativ zum nördlichen Magnetpol der Erde anzeigen, und Höhenmesser, die die Höhe über NN (Höhe) anzeigen. Ein Beispiel eines weithin verwendeten Höhenmessers ist ein Drucksensor. Durch Kombination von Messwerten einer Kombination von Positions-/Ausrichtungssensoren mit einem Fusionsalgorithmus, der einen Kalman-Filter umfassen kann, können relativ genaue Positions- und Ausrichtungsmessungen mit Hilfe von relativ preisgünstigen Sensorgeräten erhalten werden.
Die bewegliche Plattform 38 ermöglicht, dass das 3D-Messgerät 32 und der 2D-Scanner 34 von einem Ort zum nächsten bewegt werden kann, normalerweise auf einem Boden, der ungefähr horizontal ist. In einer Ausführungsform ist die bewegliche Plattform 38 ein Stativ, das Räder 40 umfasst. In einer Ausführungsform können die Räder 40 mit Radbremsen 41 arretiert werden. In einer anderen Ausführungsform sind die Räder 40 einfahrbar, was ermöglicht, dass das Stativ stabil auf drei am Stativ angebrachten Füßen steht. In einer anderen Ausführungsform hat das Stativ keine Räder, sondern wird einfach auf einer Fläche, die in ungefähr horizontal ist, wie z. B. ein Boden, entlang geschoben oder gezogen. In einer anderen Ausführungsform ist die optionale bewegliche Plattform 38 ein mit Rädern versehener Wagen, der von Hand geschoben/gezogen werden kann oder motorisiert sein kann.
In einer Ausführungsform ist der 2D-Scanner 34 zwischen der beweglichen Plattform 38 und dem 3D-Scanner 30 angebracht, wie in 2 gezeigt. In einer weiteren Ausführungsform ist der 2D-Scanner 34 im 3D-Scanner 32 integriert. In einer weiteren Ausführungsform ist der 2D-Scanner 34 auf der beweglichen Plattform 38, z. B. auf einem Stativbein oder zwischen den Beinen des Stativs, angebracht. In einer weiteren Ausführungsform ist der 2D-Scanner 34 auf dem Gehäuse des 3D-Scanners angebracht, z. B. in einer Position, die der des Bilderfassungsgeräts 88 in 3 ähnlich ist. In einer anderen Ausführungsform ist die 2D-Scanner-Baueinheit 108 an einem Bein eines Stativs angebracht, während andere Teile des Scanners 32 im Inneren des 3D-Scanners 32 befindlich sind.
In einer Ausführungsform ist die 2D-Scanner-Baueinheit 108 so ausgerichtet, dass ein Lichtstrahl über einen Winkelbereich in einer horizontalen Ebene gescannt wird. An bestimmten Zeitpunkten gibt die 2D-Scanner-Baueinheit 108 einen Winkelmesswert und einen entsprechenden Distanzmesswert aus, um 2D-Koordinaten von Objektpunkten in der horizontalen Ebene bereitzustellen. Nach Ausführung eines Scans über den kompletten Winkelbereich gibt der 2D-Scanner eine Sammlung von gepaarten Winkel- und Distanzmesswerten aus. Während das 3D-Messgerät 32 von einem Ort zum nächsten bewegt wird, gibt der 2D-Scanner 34 weiterhin 2D-Koordinatenwerte aus. Diese 2D-Koordinatenwerte dienen zur Lokalisierung der Position des 3D-Scanners 30 an jeder stationären Registrierungsposition, wodurch eine genauere Registrierung ermöglicht wird.
7 zeigt eine Bewegung des Systems 30 von einer ersten Registrierungsposition 110 vor einem Objekt 12, das gemessen werden soll. Das Objekt 112 kann z. B. eine Wand in einem Zimmer sein. In einer Ausführungsform wird das System 30 angehalten und mit Bremsen in Position gehalten, die in einer Ausführungsform Bremsen 41 auf den Rädern 39 sind. Der 3D-Scanner 30 im System 30 nimmt einen ersten 3D-Scan des Objekts 112 vor. In einer Ausführungsform kann der 3D-Scanner 30 bei Bedarf 3D-Messwerte in allen Richtungen beziehen, außer in Abwärtsrichtungen (z. B. in Richtung auf den Boden bzw. Fußboden), die von der Struktur des Systems 30 blockiert werden. Im Beispiel in 7, in dem der 3D-Scanner 32 eine lange, größtenteils flache Struktur 112 misst, kann jedoch ein kleineres effektives Sichtfeld (FOV) 114 gewählt werden, um eine stirnseitigere Ansicht der Merkmale auf der Struktur bereitzustellen.
Wenn der erste 3D-Scan beendet ist, empfängt das Prozessorsystem 36 ein Signal, das anzeigt, dass gerade 2D-Scandaten gesammelt werden. Dieses Signal kann vom Positions-/Ausrichtungssensor 106 z. B. in Reaktion auf die Erfassung einer Bewegung des Systems 32 durch den Sensor 106 kommen. Das Signal kann ausgesendet werden, wenn die Bremsen 41 gelöst werden, oder es kann in Reaktion auf einen vom Bediener gesandten Befehl ausgesandt werden. Der 2D-Scanner 34 kann mit der Datensammlung beginnen, wenn sich das System 30 in Bewegung setzt, oder es kann 2D-Scandaten kontinuierlich sammeln, selbst wenn der 2D-Scanner 32 stationär ist. In einer Ausführungsform werden 2D-Scannerdaten an das Prozessorsystem 36 geschickt, während sie gesammelt werden.
In einer Ausführungsform misst der 2D-Scanner 34, während das System 30 in Richtung auf die zweite Registrierungsposition 116 bewegt wird. In einer Ausführungsform werden 2D-Scandaten gesammelt und verarbeitet, während der Scanner eine Vielzahl von 2D-Messpositionen 118 durchläuft. An jeder Messposition 118 sammelt der 2D-Scanner 34 2D-Koordinatendaten über ein effektives Sichtfeld (FOV) 120 (8). Unter Einsatz der unten noch detaillierter beschriebenen Verfahren verwendet das Prozessorsystem 36 2D-Scandaten von der Vielzahl von 2D-Scans an den Positionen 118, um eine Position und Ausrichtung des 3D-Scanners 30 an der zweiten Registrierungsposition 116 relativ zur ersten Registrierungsposition 110 zu bestimmen, wobei die erste Registrierungsposition und die zweite Registrierungsposition in einem beiden gemeinsamen 3D-Koordinatensystem bekannt sind. In einer Ausführungsform wird das gemeinsame Koordinatensystem durch kartesische 2D-Koordinaten x, y und durch einen Rotationswinkel θ relativ zur x- oder y-Achse dargestellt. In einer Ausführungsform liegen die x- und y-Achse in der Ebene des Scanners und können weiterhin auf einer Richtung einer „Vorderseite“ des 2D-Scanners 34 basieren. Ein Beispiel eines solchen (x, y, θ) Koordinatensystems ist das Koordinatensystem 122 in 11A.
Auf dem Objekt 112 gibt es eine Überlappungsregion 124 zwischen dem ersten 3D-Scan (der an der ersten Registrierungsposition 110 gesammelt wird) und dem zweiten 3D-Scan (der an der zweiten Registrierungsposition 116 gesammelt wird). In der Überlappungsregion 124 gibt es Registrierungsziele (die natürliche Merkmale des Objekts 112 sein können), die sowohl im ersten 3D-Scan als auch im zweiten 3D-Scan sichtbar sind. Ein in der Praxis oft auftretendes Problem ist, dass das Prozessorsystem 36 bei der Bewegung des Systems 20 von der ersten Registrierungsposition 110 zur zweiten Registrierungsposition 116 die Position und Ausrichtung des Systems 20 aus den Augen verliert und daher unfähig ist, die Registrierungsziele in den Überlappungsregionen korrekt zuzuordnen, um eine Durchführung des Registrierungsverfahrens mit der gewünschten Zuverlässigkeit zu ermöglichen. Durch Verwendung der aufeinanderfolgenden 2D-Scans kann das Prozessorsystem 36 die Position und Ausrichtung des Systems 20 an der zweiten Registrierungsposition 116 relativ zur ersten Registrierungsposition 112 bestimmen. Diese Informationen ermöglichen dem Prozessorsystem 36, Registrationsziele in der Überlappungsregion 124 korrekt abzustimmen, was eine ordnungsgemäße Durchführung des Registrierungsverfahrens ermöglicht.
9 zeigt den 2D-Scanner 34, wie er 2D-Scandaten an ausgewählten Positionen 118 über ein effektives Sichtfeld (FOV) 120 sammelt. An verschiedenen Positionen 118 erfasst die 2D-Scanner-Baueinheit 108 einen Abschnitt des Objekts 112, der als A, B, C, D und E markiert ist. 9 zeigt einen 2D-Scanner 34, wie er zeitlich relativ zu einem feststehenden Bezugsrahmen des Objekts 112 bewegt wird. -{}-
10 enthält die gleichen Informationen wie 9, zeigt sie aber vom Bezugsrahmen der 2D-Scanner-Baueinheit 108 anstatt dem Bezugsrahmen des Objekts 112. Diese Figur macht deutlich, dass sich im 2D-Scanner-Bezugsrahmen die Position von Merkmalen auf dem Objekt im Zeitverlauf ändert. Damit wird klar, dass die vom 2D-Scanner 34 zurückgelegte Distanz von den von der 2D-Scanner-Baueinheit 108 zum Prozessorsystem 36 geschickten 2D-Scandaten bestimmt werden kann. Wie es nachstehend in noch größerem Detail erörtert wird, können die Merkmale zur Datenregistrierung verwendet werden, wenn die Position der Merkmale feststehend bleibt (z. B. eine Ecke einer nicht beweglichen Struktur). Wenn jedoch ein Merkmal, wie z. B. eine Tür, in einer Position gescannt und anschließend bewegt wird, kann das Probleme bei der Registrierung und insbesondere mit der Ausrichtung der nach der Bewegung erfassten Daten aufwerfen. Wie hierin besprochen, lösen ein oder mehrere Ausführungsformen das Problem der Registrierung von Daten, die bewegte oder bewegliche Merkmale/Strukturen umfassen.
11A zeigt ein Koordinatensystem, das in 11B und 11C verwendet werden kann. In einer Ausführungsform werden die 2D-Koordinaten x und y so ausgewählt, dass sie auf der Ebene des 2D-Scanners 34 liegen. Der Winkel θ wird als Rotationswinkel relativ zu einer Achse, z. B. x oder y, ausgewählt. 11B, 11C stellen einen realistischen Fall dar, in dem der 2D-Scanner 34 nicht präsize in einer geraden Linie bewegt wird, z. B. nominell parallel zum Objekt 112, sondern auch zur Seite. Des Weiteren kann der 2D-Scanner 34 gedreht werden, während er bewegt wird.
11B zeigt die Bewegung des Objekts 112 aus der Sicht des Bezugsrahmens des 2D-Scanners 34. Im 2D-Scanner-Bezugsrahmen (d. h. Ansicht aus der Perspektive des 2D-Scanners) bewegt sich das Objekt 112, während der 2D-Scanner 34 ortsfest ist. In diesem Bezugsrahmen scheinen die Verschiebung und Rotation der Abschnitte des Objekts 112, die vom 2D-Scanner 34 gesehen werden, zeitlich zu erfolgen. Die 2D-Scanner-Baueinheit 108 liefert eine Abfolge dieser verschobenen und rotierten 2D-Scans an das Prozessorsystem 36. In dem in 11A und 11B gezeigten Beispiel verschiebt sich der Scanner in die +y-Richtung um eine Distanz 1420, wie in 14B gezeigt, und rotiert um einen Winkel 1430, der in diesem Beispiel +5 Grad beträgt. Natürlich könnte der Scanner ebenso um einen geringen Betrag in die +x oder –x Richtung bewegt werden. Um die Bewegung des 2D-Scanners 34 in die x, y, θ Richtung zu bestimmen, verwendet das Prozessorsystem 36 die in aufeinanderfolgenden Scans aufgezeichneten Daten, wie im Bezugsrahmen des 2D-Scanners 34 gesehen, wie es in 11B gezeigt ist. In einer Ausführungsform führt das Prozessorsystem 36 eine Ausgleichs(Best Fit)-Berechnung unter Verwendung von bekannten Verfahren des Stands der Technik durch, um die beiden Scans oder Merkmale in den beiden Scans so genau wie möglich aufeinander abzustimmen.
Während der 2D-Scanner 34 aufeinanderfolgende 2D-Messungen und Ausgleichs(Best Fit)-Berechnungen durchführt, verfolgt das Prozessorsystem 36 die Verschiebung und Rotation des 2D-Scanners 34, die der Verschiebung und Rotation des 3D-Scanners 32 und des Systems 30 entsprechen. Auf diese Weise kann das Prozessorsystem 36 die Änderung der Werte x, y, θ genau bestimmen, während das System 30 von der ersten Registrierungsposition 110 zur zweiten Registrierungsposition 116 bewegt wird.
Es sollte gewürdigt werden, dass das Prozessorsystem 36 die Position und Ausrichtung des Systems 30 auf der Grundlage eines Vergleichs der Folge von 2D-Scans und nicht nach Verschmelzung der 2D-Scandaten mit 3D-Scandaten, die vom 3D-Scanner 32 an der ersten Registrierungsposition 110 oder der zweiten Registrierungsposition 116 bereitgestellt werden, bestimmt.
Stattdessen wird das Prozessorsystem 36 in einer Ausführungsform so konfiguriert, dass es einen ersten Verschiebungswert, einen zweiten Verschiebungswert und einen ersten Rotationswert bestimmt, der bei Anwendung auf eine Kombination der ersten 2D-Scandaten und zweiten 2D-Scandaten zu transformierten 2D-Daten führt, die transformierten zweiten 2D-Daten so genau wie möglich (oder innerhalb von vorgegebenen Schwellenwerten) entsprechend einem objektiven mathematischen Kriterium entsprechen (oder innerhalb von vorgegebenen Schwellenwerten entsprechen). Im Allgemeinen können die Verschiebung und Rotation auf die ersten Scandaten, die zweiten Scandaten oder eine Kombination der beiden angewendet werden. Zum Beispiel ist eine auf den ersten Datensatz angewandte Verschiebung gleichwertig mit einem negativen Wert der auf den zweiten Datensatz angewandten Verschiebung, und zwar in dem Sinn, dass beide Aktionen die gleiche Übereinstimmung in den transformierten Datensätzen produzieren. In einer Ausführungsform besteht ein Beispiel eines „objektiven mathematischen Kriteriums“ darin, dass die Summe der quadrierten Restfehler für diese Abschnitte der Scandaten, die als überlappend bewertet werden, minimiert wird. In einer weiteren Ausführungsform kann das objektive mathematische Kriterium eine Abstimmung von mehreren Merkmalen, die auf dem Objekt identifiziert werden, beinhalten. Zum Beispiel könnten diese Merkmale die Randübergänge 126, 128 und 130 sein, wie in 8 gezeigt. Das mathematische Kriterium kann die Verarbeitung der vom 2D-Scanner 32 an das Prozessorsystem 36 bereitgestellten Rohdaten umfassen, oder es kann eine erste Verarbeitungszwischenstufe beinhalten, in der Merkmale als Sammlung von Liniensegmenten dargestellt werden, und zwar mit Hilfe von bekannten Verfahren des Stands der Technik, z. B. Verfahren auf der Grundlage des iterativen nächsten Punkts (ICP; Iterative Closest Point). Ein solches auf dem iterativen nächsten Punkt basierendes Verfahren ist in Censi, A., "An ICP variant using a point-to-line metric," IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2008, beschrieben.
In einer Ausführungsform ist der erste Verschiebungswert dx, der zweite Verschiebungswert dy und der erste Rotationswert dθ. Wenn die ersten Scandaten mit der 2D-Scanner-Baueinheit 108 gesammelt werden, die die Verschiebungs- und Rotationskoordinaten (in einem Referenzkoordinatensystem) (x₁, y₁, θ₁) hat, dann werden bei Sammlung der zweiten 2D-Scandaten an einem zweiten Ort die Koordinaten durch (x₂, y₂, θ₂) = (x₁+ dx, y₁+ dy, θ₁+ dθ) angegeben. In einer Ausführungsform ist das Prozessorsystem 36 des Weiteren so konfiguriert, dass ein dritter Verschiebungswert (z. B. dz) und ein zweiter und dritter Rotationswert (z. B. Längs und Quer) bestimmt werden. Der dritte Verschiebungswert, der zweite Rotationswert und der dritte Rotationswert können mindestens teilweise auf der Grundlage von Messwerten des Positions-/Ausrichtungssensors 106 bestimmt werden.
Der 2D-Scanner 34 erfasst 2D-Scandaten an der ersten Registrierungsposition 110 und weitere 2D-Scandaten an der zweiten Registrierungsposition 116. In manchen Fällen reichen diese Scans aus, um die Position und Ausrichtung des Systems 30 an der zweiten Registrierungsposition 116 relativ zur ersten Registrierungsposition 110 zu bestimmen. In anderen Fällen reichen die beiden Mengen der 2D-Scandaten nicht aus, um dem Prozessorsystem 36 zu ermöglichen, den ersten Verschiebungswert, den zweiten Verschiebungswert und den ersten Rotationswert genau zu bestimmen. Dieses Problem kann vermieden werden, indem 2D-Scandaten an Scan-Zwischenpositionen 118 gesammelt werden. In einer Ausführungsform werden die 2D-Scandaten in regelmäßigen Intervallen, z. B. einmal pro Sekunde, erfasst und verarbeitet. Auf diese Weise können die Merkmale von Objekt 112 leicht in aufeinanderfolgenden 2D-Scans identifiziert werden, die an Scan-Zwischenpositionen 118 erfasst werden. Wenn mehr als zwei 2D-Scans bezogen werden, kann das Prozessorsystem 36 entscheiden, die Informationen aus allen aufeinanderfolgenden 2D-Scans bei der Bestimmung der Verschiebungs- und Rotationswerte bei Bewegung von der ersten Registrierungsposition 110 zur zweiten Registrierungsposition 116 zu verwenden. In anderen Ausführungsformen kann das Prozessorsystem 36 so konfiguriert werden, dass es nur den ersten und letzten Scan in der Endberechnung verwendet und einfach die 2D-Zwischenscans verwendet, um die gewünschte Entsprechung der übereinstimmenden Merkmale sicherzustellen. In manchen Ausführungsformen kann die Genauigkeit der Anpassung durch Einbezug von Informationen aus mehreren aufeinanderfolgenden 2D-Scans verbessert werden.
Der erste Verschiebungswert, der zweite Verschiebungswert und der erste Rotationswert sind die gleichen für den 2D-Scanner 34, den 3D-Scanner 32 und das System 30, weil alle relativ zu einander fixiert sind.
Das System 30 wird an die zweite Registrierungsposition 116 bewegt. In einer Ausführungsform wird das System 30 zum Stillstand gebracht und Bremsen (z. B. Radbremsen 41) werden angezogen, um das System 30 ortsfest zu halten. In einer anderen Ausführungsform beginnt das Prozessorsystem 36 den 3D-Scan automatisch, wenn die bewegliche Plattform zum Stillstand gebracht wird, z. B. durch Feststellung einer fehlenden Bewegung durch den Positions-/Ausrichtungssensor 106. Der 3D-Scanner 32 des Systems 30 führt einen 3D-Scan des Objekts 112 aus. Dieser 3D-Scan wird als zweiter 3D-Scan bezeichnet, um ihn vom ersten 3D-Scan zu unterscheiden, der an der ersten Registrierungsposition 110 durchgeführt wird.
Das Prozessorsystem 36 wendet den bereits berechneten ersten Verschiebungswert, den zweiten Verschiebungswert und den ersten Rotationswert an, um die Position und Ausrichtung des zweiten 3D-Scans relativ zum ersten 3D-Scan einzustellen. Diese Einstellung, die als Bereitstellung einer "ersten Ausrichtung“ angesehen werden kann, bringt die Registrierungsziele (die natürliche Merkmale in der Überlappungsregion 1150 sein können) in unmittelbare Nähe. Das Prozessorsystem 950 führt eine Feinregistrierung durch, bei der feine Anpassungen an die sechs Freiheitsgrade des zweiten 3D-Scans relativ zum ersten 3D-Scan vorgenommen werden. Es nimmt die feine Anpassung auf der Grundlage eines objektiven mathematischen Kriteriums vor, das dem auf die 2D-Scandaten angewandten mathematischen Kriterium entsprechen oder von diesem abweichen kann. Zum Beispiel kann das objektive mathematische Kriterium darin bestehen, dass die Summe der quadrierten Restfehler für die Abschnitte der als überlappend erachteten Scandaten reduziert oder minimiert wird. In einer anderen Ausführungsform kann das objektive mathematische Kriterium auf eine Vielzahl von Merkmalen in der Überlappungsregion angewandt werden. Die mathematischen Berechnungen in der Registrierung können auf 3D-Scan-Rohdaten oder auf geometrische Repräsentationen der 3D-Scandaten, z. B. durch eine Sammlung von Liniensegmenten, angewandt werden.
Außerhalb der Überlappungsregion 124 werden die ausgerichteten Werte des ersten 3D-Scans und des zweiten 3D-Scans in einem registrierten 3D-Datensatz kombiniert. Innerhalb der Überlappungsregion basieren die 3D-Scanwerte, die im registrierten 3D-Datensatz enthalten sind, auf irgendeiner Kombination von 3D-Scannerdaten von den ausgerichteten Werten des ersten 3D-Scans und des zweiten 3D-Scans.
Die in 12 gezeigte Ausführungsform zeigt ein Verfahren 150 zur Messung und Registrierung von 3D-Koordinaten. Das Verfahren 150 beginnt in Block 152, wo ein 3D-Messgerät, einschließlich eines Prozessorsystems, eines 3D-Scanners, eines 2D-Scanners und einer beweglichen Plattform, vorgesehen ist. Das Prozessorsystem kann mindestens einen von einem 3D-Scanner-Controller, einem 2D-Scanner-Prozessor, einem externen Computer und einem für Netzwerk-Fernzugriff konfigurierten Cloud-Computer enthalten. Jedes dieser Verarbeitungselemente innerhalb des Prozessorsystems kann einen einzigen Prozessor oder mehrere verteilte Verarbeitungselemente umfassen, wobei die Verarbeitungselemente ein Mikroprozessor, Digitalsignalprozessor, FPGA oder ein anderer Typ eines Rechnergeräts sind. Die Verarbeitungselemente haben Zugriff auf einen Computerspeicher. Der 3D-Scanner hat eine erste Lichtquelle, eine erste Strahl-Lenkeinheit, ein erstes Winkelmessgerät, ein zweites Winkelmessgerät und einen ersten Lichtempfänger. Die erste Lichtquelle ist so konfiguriert, dass sie einen ersten Lichtstrahl emittiert, der in einer Ausführungsform ein Laserlichtstrahl ist. Die erste Strahl-Lenkeinheit ist vorgesehen, um den ersten Lichtstrahl in einer erste Richtung auf einen ersten Objektpunkt zu lenken. Die Strahl-Lenkeinheit kann ein Drehspiegel sein, wie z. B. der Spiegel 50, oder sie kann ein anderer geeigneter Typ eines Strahl-Lenkmechanismus sein. Zum Beispiel kann der 3D-Scanner ein Unterteil enthalten, auf dem eine erste Struktur platziert ist, die sich um eine vertikale Achse dreht, und auf dieser Struktur kann eine zweite Struktur platziert sein, die sich um eine horizontale Achse dreht. Mit einer so gearteten mechanischen Baueinheit kann der Lichtstrahl direkt von der zweiten Struktur emittiert und in eine gewünschte Richtung gerichtet werden. Andere Arten von Strahl-Lenkmechanismen sind möglich. In manchen Ausführungsformen kann der Strahl-Lenkmechanismus einen oder zwei Motoren umfassen.
Die erste Richtung wird durch einen ersten Rotationswinkel um eine erste Achse und einen zweiten Rotationswinkel um eine zweite Achse bestimmt. Das erste Winkelmessgerät ist so konfiguriert, dass es den ersten Rotationswinkel misst, und das zweite Winkelmessgerät ist so konfiguriert, dass es den zweiten Rotationswinkel misst. Der erste Lichtempfänger ist so konfiguriert, dass er erstes reflektiertes Licht empfängt, wobei das erste reflektierte Licht ein Teil des ersten Lichtstrahls ist, der vom ersten Objektpunkt reflektiert wird. Der erste Lichtempfänger ist des Weiteren so konfiguriert, dass er ein erstes elektrisches Signal in Reaktion auf das erste reflektierte Licht erzeugt. Der erste Lichtempfänger ist des Weiteren so konfiguriert, dass er mit dem Prozessorsystem zusammenwirkt, um eine erste Distanz zu einem ersten Objektpunkt mindestens teilweise auf der Grundlage des ersten elektrischen Signals zu bestimmen, und der 3D-Scanner ist so konfiguriert, dass er mit dem Prozessorsystem zusammenwirkt, um 3D-Koordinaten des ersten Objektpunkts mindestens teilweise auf der Grundlage der ersten Distanz, des ersten Rotationswinkels und des zweiten Rotationswinkels zu bestimmen.
Der 2D-Scanner umfasst eine 2D-Scanner-Baueinheit, die eine zweite Lichtquelle, eine zweite Strahl-Lenkeinheit, ein drittes Winkelmessgerät und einen zweiten Lichtempfänger aufweist. Die zweite Lichtquelle ist so konfiguriert, dass sie einen zweiten Lichtstrahl emittiert. Die zweite Strahl-Lenkeinheit ist so konfiguriert, dass sie den zweiten Lichtstrahl in einer zweiten Richtung auf einen zweiten Objektpunkt lenkt. Die zweite Richtung wird durch einen dritten Rotationswinkel um eine dritte Achse bestimmt, wobei das dritte Winkelmessgerät so konfiguriert ist, dass es den dritten Rotationswinkel misst. Der zweite Lichtempfänger ist so konfiguriert, dass er zweites reflektiertes Licht empfängt, wobei das zweite reflektierte Licht ein Teil des zweiten Lichtstrahls ist, der vom zweiten Objektpunkt reflektiert wird. Der zweite Lichtempfänger ist des Weiteren so konfiguriert, dass er ein zweites elektrisches Signal in Reaktion auf das zweite reflektierte Licht erzeugt. Der 2D-Scanner ist so konfiguriert, dass er mit dem Prozessorsystem zusammenwirkt, um eine zweite Distanz zum zweiten Objektpunkt mindestens teilweise auf der Grundlage des zweiten elektrischen Signals zu bestimmen. Der 2D-Scanner ist weiterhin so konfiguriert, dass er mit dem Prozessorsystem zusammenwirkt, um 2D-Koordinaten des zweiten Objektpunkts mindestens teilweise auf der Grundlage der zweiten Distanz und des dritten Rotationswinkels bestimmen. Die bewegliche Plattform ist so konfiguriert, dass sie den 3D-Scanner und den 2D-Scanner trägt. Der 3D-Scanner ist relativ zum 3D-Scanner ortsfest, und die bewegliche Plattform ist für Bewegung auf einer Ebene konfiguriert, die zur dritten Achse rechtwinklig verläuft.
Das Verfahren 150 fährt dann mit Block 154 fort, wo das Prozessorsystem in Zusammenarbeit mit dem 3D-Scanner 3D-Koordinaten einer ersten Sammlung von Punkten auf einer Objektoberfläche bestimmt, während der 3D-Scanner ortsfest an der ersten Registrierungsposition befindlich ist. Das Verfahren fährt dann mit Block 156 fort, wo der 2D-Scanner in Zusammenarbeit mit dem Prozessorsystem eine Vielzahl von 2D-Scansätzen bezieht oder erfasst. In einer Ausführungsform ist jeder der Vielzahl von 2D-Scansätzen ein Satz von 2D-Koordinaten von Punkten auf einer Objektoberfläche, die gesammelt werden, während der 2D-Scanner von der ersten Registrierungsposition zu einer zweiten Registrierungsposition bewegt wird. Jeder der Vielzahl von 2D-Scansätzen wird vom 2D-Scanner an einer anderen Position relativ zur ersten Registrierungsposition gesammelt.
Das Verfahren 150 fährt dann mit Block 158 fort, wo das Prozessorsystem einen ersten Verschiebungswert, der einer ersten Verschiebungsrichtung entspricht, einen zweiten Verschiebungswert, der einer zweiten Verschiebungsrichtung entspricht, und einen ersten Rotationswert, der einer ersten Orientierungsachse entspricht, bestimmt, wobei der erste Verschiebungswert, der zweite Verschiebungswert und der erste Rotationswert mindestens teilweise basierend auf einer Anpassung der Vielzahl von 2D-Scansätzen entsprechend einem ersten mathematischen Kriterium bestimmt werden.
Das Verfahren 150 fährt dann mit Block 160 fort, wo das Prozessorsystem in Zusammenarbeit mit dem 3D-Scanner 3D-Koordinaten einer zweiten Sammlung von Punkten auf der Objektoberfläche bestimmt, während der 3D-Scanner ortsfest an der zweiten Registrierungsposition befindlich ist. Das Verfahren 150 fährt dann mit Block 162 fort, wo das Prozessorsystem eine Übereinstimmung unter Registrierungszielen identifiziert, die sowohl in der ersten Sammlung von Punkten als auch der zweiten Sammlung von Punkten vorliegt, wobei die Übereinstimmung mindestens teilweise auf dem ersten Verschiebungswert, dem zweiten Verschiebungswert und dem ersten Rotationswert basiert.
Das Verfahren 150 fährt dann mit Block 164 fort, wo die 3D-Koordinaten einer registrierten 3D-Sammlung von Punkten mindestens teilweise auf der Grundlage eines zweiten mathematischen Kriteriums, der Übereinstimmung unter den Registrierungszielen, der 3D-Koordinaten der ersten Punktesammlung und der 3D-Koordinaten der zweiten Punktesammlung bestimmt werden. Das Verfahren 150 endet in Block 166 mit der Speicherung der 3D-Koordinaten der registrierten 3D-Punktesammlung im Speicher.
Wie hier besprochen kann die Registrierung der Scandaten nachteilig durch die Bewegung von Merkmalen im gescannten Bereich beeinträchtigt werden. 1 zeigt, wie ein Bereich mit einem Korridor 22 von System 30 gescannt werden kann, um einen ersten Datensatz von Koordinatendaten zu erfassen, der zur Erzeugung einer 2D-Karte verwendet wird. Im Korridor 22 befindet sich eine Tür 24A, die im Rahmen des ersten Datensatzes gescannt wird. Der Bediener öffnet dann die Tür in die Position 24B, um zu ermöglichen, dass das System 30 zum weiteren Scannen in den Raum 26 verbracht wird. Da die Merkmale der Tür 24 zur Registrierung der anschließend erfassten Koordinatendaten verwendet werden, würden die Registrierungsverfahren von vorherigen Systemen dazu führen, dass der Datensatz für Raum 26 an einem Winkel relativ zum Korridor 22 ausgerichtet wird.
Um dieses Problem zu lösen, umfasst das System 30 das Verfahren 180, wie in 13 gezeigt. Das Verfahren 180 beginnt in Block 182, wo die Laserscandaten 184, die aktuellen 2D-Kartendaten 186 und die letzten geschätzten Positions- und Ausrichtungsdaten 188 für das System 30 als Eingaben in den Prozess zur Anpassung oder Registrierung der neu erfassten Koordinatendaten mit den bestehenden Koordinatendaten verwendet werden. In einer Ausführungsform können die aktuellen 2D-Kartendaten 186 wie in 14A gezeigt sein, wo Datenkarte durch eine Anordnung von Zellen oder Raster 200 definiert ist.
Das Raster 200 ist einer Repräsentation des gescannten Bereichs überlagert. Jede Zelle im Raster 200 kann einen von drei Werten auf der 2D-Karte haben. Eine Zelle kann belegt sein, z. B. Zelle 202, die eine Wand repräsentiert, oder Zelle 204, die die Tür 24 darstellt. Eine Zelle kann auch „frei“ sein, z. B. Zelle 206, d. h. keine Struktur oder Wand wurde vom System 30 erfasst. Und schließlich kann eine Zelle „unbekannt“ sein, z. B. Zelle 208 und Zelle 210, die in einem noch nicht gescannten Bereich liegen.
In einer Ausführungsform beträgt jede Zelle des Rasters 5 cm pro Seite. Es sollte gewürdigt werden, dass dies illustrativen Zwecken dient und dass die beanspruchte Erfindung nicht derartig eingeschränkt werden soll. In anderen Ausführungsformen kann die Größe der Zelle vom Benutzer definiert werden.
Das Verfahren 180 fährt dann mit Block 190 fort, wo der 3D-Scanner 32 und der 2D-Scanner 34 zusätzliche Daten erfasst, z. B. durch Bewegung des Systems 30 durch die Tür 24 in den Raum 26. Während das System 30 den neuen Bereich scannt, bestimmt das Verfahren den neuen Inhalt oder die neuen Kartenmerkmale (z. B. Wände) in Block 192. In einer Ausführungsform wird eine neue zweite Position (z. B. Position 116) in Block 194 aufgezeichnet. Der neue Inhalt ist in 14B illustriert, wo der während des Scans erfasste neue Inhalt auf dem Raster 200 überlagert ist. Es sollte gewürdigt werden, dass der neue Inhalt noch nicht in die 2D-Kartendaten 186 integriert wurde.
Jeder der Zellen im neuen Inhalt wird ein Wert auf der Grundlage der vom Scanner 30 in Block 190 erfassten Daten zugeordnet. Die Zellen können einen von drei Werten haben, und zwar: „belegte“, wie z. B. Zelle 202‘; „freie“, wie Zelle 204‘, und „unbekannte“ Zellen (nicht gescannte Bereiche). Es ist anzumerken, dass sich die Werte einiger Zellen zwischen dem neuen Inhalt und der bestehenden 2D-Karte ändern. Zum Beispiel stellen die Zelle 204 und die Zelle 204‘ jeweils den gleichen Raum dar, haben aber verschiedene Werte. Die Zelle 204 hat den Wert „belegt“, während die Zelle 204’ den Wert „frei“ hat. Andere Zellen, wie z. B. Zelle 208/208’ und 210/210‘, haben sich ebenfalls geändert, nämlich Zelle 208 wechselte von unbekannt zu frei, während Zelle 210/210’ von unbekannt zu belegt gewechselt ist.
In Block 192 ist der neue Inhalt noch nicht in den Datensatz für die bestehende Karte integriert. Das Verfahren 180 fährt dann mit der Abfrage von Block 195 fort, wo bestimmt wird, ob die Informationen (z. B. die Anzahl der geänderten Werte oder der Betrag der geänderten Werte) des neuen Inhalts größer als ein Schwellenwert sind. Es sollte gewürdigt werden, dass bewegte Objekte durch Berechnung der neuen Informationen (z. B. die Zahl der geänderten Werte, oder der Betrag der geänderten Werte) explizit detektiert werden können. In einer Ausführungsform können nach der Bestimmung, dass ein Objekt in Bewegung ist, diese Daten in die Umgebungskarte integriert werden, so dass aufeinanderfolgende Scan-Registrierungen auf der neuen, aktualisierten Umgebungskarte basieren können und damit das Risiko einer Fehlausrichtung reduziert wird. In Block 195, wo sich der Wert einer Zelle im Raster geändert hat, fährt das Verfahren 180 mit Block 198 fort und der neue Wert überschreibt den bestehenden Wert. Wenn sich der Wert der Zelle nicht geändert hat, fährt das Verfahren 180 mit Block 196 fort, wo der neue Zellenwert gelöscht und der bestehende Zellenwert beibehalten wird. Es sollte gewürdigt werden, dass die Zellenwerte in manchen Ausführungsformen nicht diskret (z. B. –1, 0, +1) sein können, sondern einen Wertebereich (–1, –0,9, –0,8, –0,7...0...+0,7, +0,8, +0,9, +1) darstellen können, je nach den gemessenen Daten. In diesen Ausführungsformen kann ein Schwellenwert zur Bestimmung, wann ein neuer oder alter Zellenwert beibehalten wird, festgelegt werden.
In Block 198 wird der neue Inhalt für die Zellen, wo sich der Wert geändert hat, in der aktuellen 2D-Karte zusammengeführt. Das Verfahren 180 kehrt zu Block 186 zurück, wo die neuen 2D-Kartendaten, wie in 14C gezeigt, als Eingabe für Block 182 verwendet werden. Es sollte gewürdigt werden, dass, da die bewegten Objektdaten aus dem ersten Scan nicht beibehalten werden (z. B. Zelle 204), die Registrierung der neuen Scandaten korrekt relativ zum Korridor 22 ausgerichtet wird, da der bewegte Abschnitt (z. B. die Zelle zwischen 202 und 204) auf der endgültigen Position (z. B. Zelle 210) basiert wird. In einigen Ausführungsformen kann die Integration der neuen Scandaten durchgeführt werden, wenn das System 30 in Bewegung ist, was die Datenverarbeitungsbelastung des Prozessorsystems 36 reduziert. In weiteren Ausführungsformen wird die Integration der neuen Scandaten nur dann durchgeführt, wenn das System 30 in einen Bereich bewegt wird, der noch nicht gescannt wurde (z. B. zuvor „unbekannt“), um das Risiko einer Fehleinschätzung zu reduzieren.
Es versteht sich, dass Begriffe wie Prozessor, Controller, Computer, DSP, FPGA in diesem Dokument ein Rechengerät bedeuten, das sich in einem Instrument befinden kann, in mehreren Elementen in einem Instrument verteilt sein kann oder außerhalb von einem Instrument platziert sein kann.
Obwohl die Erfindung im Detail in Verbindung mit lediglich einer begrenzten Zahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf diese offengelegten Ausführungsformen begrenzt ist. Stattdessen kann die Erfindung modifiziert werden, indem eine beliebige Zahl von bis zu diesem Zeitpunkt noch nicht beschriebenen Variationen, Abänderungen, Substitutionen oder gleichwertige Anordnungen mit aufgenommen wird, die jedoch mit dem Geist und Rahmen der Erfindung im Einklang sind. Außerdem versteht es sich, dass Aspekte der Erfindung lediglich einige der beschriebenen Ausführungsformen umfassen können, obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden. Daher ist die Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung eingeschränkt zu sehen; sie ist vielmehr nur durch den Umfang der angefügten Patentansprüche begrenzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8705012 [0040]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE 802.11 [0043]
Censi, A., “An ICP variant using a point-to-line metric,” IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2008 [0060]

Claims

Ein Verfahren zur Erzeugung einer zweidimensionalen Karte einer Umgebung, wobei das Verfahren umfasst: Empfang von Laserscandaten; Empfang einer aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte; Empfang einer ersten geschätzten Position und Ausrichtung eines Scansystems; Erfassung eines Satzes von zweidimensionalen Koordinatendaten und eines Satzes von dreidimensionalen Koordinatendaten, während das Scansystem von einer ersten Position zu einer zweiten Position bewegt wird; Feststellung, wenn ein Ort, der in der aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte enthalten ist, neuen Inhalt enthält, und zwar auf der Grundlage des Satzes von dreidimensionalen Koordinatendaten; Feststellung, wenn ein Wert des neuen Inhalts gleich einem Schwellenwert ist oder diesen überschreitet; und Zusammenführung von mindestens einem des aktuellen Satzes zweidimensionaler Koordinatendaten und des Satzes der zweidimensionalen Koordinatendaten in der aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte, wenn der Wert des neuen Inhalts gleich einem Schwellenwert ist oder diesen überschreitet.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin die Aufzeichnung einer zweiten geschätzten Position und Ausrichtung des Scansystems mindestens teilweise auf der Grundlage des Satzes der zweidimensionalen Koordinatendaten umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin die Verwerfung von mindestens einem Teil des Satzes dreidimensionaler Koordinatendaten umfasst, wenn der Wert des neuen Inhalts unter dem Schwellenwert liegt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin die Erzeugung einer neuen zweidimensionalen Umgebungskarte auf der Grundlage des Satzes zweidimensionaler Koordinatendaten und des Satzes dreidimensionaler Koordinatendaten umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei die aktuelle zweidimensionale Umgebungskarte und die neue zweidimensionale Umgebungskarte jeweils eine Vielzahl von Zellen umfassen, wobei jede Zelle einen Zellenwert hat.
Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt der Feststellung neuen Inhalts den Vergleich eines ersten Zellenwertes in der aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte mit dem entsprechenden zweiten Zellenwert in der neuen zweidimensionalen Umgebungskarte umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt der Feststellung neuen Inhalts weiterhin die Registrierung der neuen zweidimensionalen Umgebungskarte mit der aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte umfasst.
Ein System zur Erzeugung einer zweidimensionalen Karte eines Bereichs, wobei das System umfasst: einen 3D-Scanner mit einer ersten Lichtquelle; einen 2D-Scanner mit einer zweiten Lichtquelle; eine bewegliche Plattform, die so konfiguriert ist, dass sie den 3D-Scanner und den 2D-Scanner trägt, wobei der 3D-Scanner relativ zum 2D-Scanner ortsfest ist, und die bewegliche Plattform von einer ersten Position zu einer zweiten Position bewegt werden kann; einen oder mehrere Prozessoren, die auf die Ausführung von computerlesbaren Anweisungen reagieren, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren betrieblich mit einem Speicher verbunden sind, wobei die computerlesbaren Anweisungen umfassen: Empfang von Laserscandaten; Empfang einer aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte vom Speicher; Empfang einer ersten geschätzten Position und Ausrichtung eines Scansystems vom Speicher; Erfassung eines Satzes von zweidimensionalen Koordinatendaten mit dem 2D-Scanner und eines Satzes von dreidimensionalen Koordinatendaten mit dem 3D-Scanner, während das Scansystem von der ersten Position zur zweiten Position bewegt wird; Feststellung, wenn ein Ort, der in der aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte enthalten ist, neuen Inhalt enthält, und zwar auf der Grundlage des Satzes von dreidimensionalen Koordinatendaten; Feststellung, wenn ein Wert des neuen Inhalts gleich einem Schwellenwert ist oder diesen überschreitet; und Zusammenführung von mindestens einem des aktuellen Satzes zweidimensionaler Koordinatendaten und des Satzes der zweidimensionalen Koordinatendaten in der aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte, wenn der Wert des neuen Inhalts gleich einem Schwellenwert ist oder diesen überschreitet.
Das System nach Anspruch 8, wobei die ausführbaren computerlesbaren Anweisungen weiterhin die Aufzeichnung einer zweiten geschätzten Position und Ausrichtung des Scansystems mindestens teilweise auf der Grundlage des Satzes der zweidimensionalen Koordinatendaten umfassen.
Das System nach Anspruch 8, wobei die ausführbaren computerlesbaren Anweisungen weiterhin die Verwerfung von mindestens einem Teil des Satzes dreidimensionaler Koordinatendaten umfassen, wenn der Wert des neuen Inhalts unter dem Schwellenwert liegt.
Das System nach Anspruch 8, wobei die ausführbaren computerlesbaren Anweisungen weiterhin die Erzeugung einer neuen zweidimensionalen Umgebungskarte auf der Grundlage des Satzes zweidimensionaler Koordinatendaten und des Satzes dreidimensionaler Koordinatendaten umfassen.
Das System nach Anspruch 11, wobei die aktuelle zweidimensionale Umgebungskarte und die neue zweidimensionale Umgebungskarte jeweils eine Vielzahl von Zellen umfassen, wobei jede Zelle einen Zellenwert hat.
Das System nach Anspruch 12, wobei der Schritt der Feststellung neuen Inhalts den Vergleich eines ersten Zellenwertes in der aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte mit dem entsprechenden zweiten Zellenwert in der neuen zweidimensionalen Umgebungskarte umfasst.
Das System nach Anspruch 13, wobei der Schritt der Feststellung neuen Inhalts weiterhin die Registrierung der neuen zweidimensionalen Umgebungskarte mit der aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte umfasst.
Ein Verfahren zur Erzeugung einer zweidimensionalen Karte eines Bereichs mit beweglichen Objekten, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellung eines Scansystems mit einem dreidimensionalen Scanner und einem zweidimensionalen Scansystem, wobei das Scansystem eine mobile Plattform aufweist, die zur Bewegung des Scansystems von einer ersten Position zu einer zweiten Position betrieben werden kann; Empfang einer aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte, die eine erste Anordnung von Orten in dem Bereich entsprechenden Zellen hat, wobei jede der ersten Anordnung von Zellen einen ersten Wert hat, der auf zuvor erfassten Scandaten basiert, und die erste Anordnung von Zellen eine erste Zelle mit einem ersten Wert hat; Erfassung eines Satzes von zweidimensionalen Koordinatendaten und eines Satzes von dreidimensionalen Koordinatendaten, während das Scansystem von der ersten Position zur zweiten Position bewegt wird; Erzeugung einer neuen zweidimensionalen Umgebungskarte, die eine zweite Anordung von Zellen hat, wobei jede der zweiten Anordnung von Zellen einen zweiten Wert hat, der auf dem Satz zweidimensionaler Koordinatendaten und dem Satz dreidimensionaler Koordinatendaten basiert, und wobei die zweite Anordnung von Zellen eine zweite Zelle mit dem zweiten Wert hat; Registrierung der neuen zweidimensionalen Umgebungskarte mit der aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte, wobei die zweite Zelle dem gleichen Ort im realen Raum wie die erste Zelle entspricht; Feststellung, wenn der zweite Wert der zweiten Zelle vom ersten Wert der ersten Zelle unterschiedlich ist; Feststellung, wenn der zweite Wert der zweiten Zelle gleich einem Schwellenwert ist oder diesen überschreitet; und Zusammenführung von mindestens einem des aktuellen Satzes zweidimensionaler Koordinatendaten und des Satzes zweidimensionaler Koordinatendaten in der aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte, wenn der zweite Wert der zweiten Zelle gleich einem Schwellwert ist oder diesen überschreitet.
Das Verfahren nach Anspruch 15, weiterhin umfassend: Empfang einer ersten geschätzten Position und Ausrichtung des Scansystems in der ersten Position; Bestimmung einer zweiten geschätzten Position und Ausrichtung des Scansystems in der zweiten Position; und wobei der Schritt der Registrierung mindestens teilweise auf der Grundlage der ersten geschätzten Position und Ausrichtung des Scansystems und der zweiten geschätzten Position und Ausrichtung des Scansystems erfolgt.
Das Verfahren nach Anspruch 15, das weiterhin die Verwerfung des zweiten Wertes der zweiten Zelle umfasst, wenn der zweite Wert des neuen Inhalts unter dem Schwellenwert liegt.
Das Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt der Zusammenführung den Ersatz des ersten Wertes durch den zweiten Wert in der aktuellen zweidimensionalen Umgebungskarte umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 15, das des Weiteren den Betrieb des 2D-Scanners umfasst, wenn das Scansystem von der ersten Position zur zweiten Position bewegt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 19, das des Weiteren den Betrieb des 3D-Scanners umfasst, wenn das Scansystem an der zweiten Position angehalten wird.