DE102017218281A1

DE102017218281A1 - Zweidimensionales kartierungssystem und betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102017218281A1
Application number: DE102017218281.4A
Authority: DE
Inventors: Oliver Zweigle; Aleksej Frank; Bernd-Dietmar Becker
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: GB201716677D0; US10282854B2; GB2557429B; US20180101961A1; GB2557429A

Abstract

Es wird ein Verfahren und ein System zum Erzeugen einer zweidimensionalen Karte mit einem optischen Scanner bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Erfassen von Koordinatendaten von Punkten in einem Bereich, der mit einem mobilen optischen Scanner abgetastet wird. Eine aktuelle 2D-Karte aus den Koordinatendaten wird generiert. Eine Kopie der aktuellen 2D-Karte wird periodisch oder aperiodisch gespeichert. Mindestens ein Datenregistrierungsfehler wird in der aktuellen 2D-Karte identifiziert. Die gespeicherte Kopie der aktuellen 2D-Karte von einem Zeitpunkt vor dem Registrierungsfehler wird bestimmt. Ein zweiter Datensatz von Koordinatendaten, der nach der ermittelten gespeicherten Kopie erfasst wird, wird identifiziert. Der zweite Datensatz wird an der ermittelten gespeicherten Kopie ausgerichtet, um eine neue aktuelle 2D-Karte zu bilden. Die neue aktuelle 2D-Karte wird im Speicher gespeichert.

Description

QUERVERWEIS AUF VERBUNDENE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität der provisorischen US-Anmeldung Seriennummer 62/407,183, 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. Während des Scanvorgangs treten manchmal Probleme auf, die zu Fehlern in einer Karte führen. Diese Fehler können auf eine Fehlregistrierung von neu erfassten Daten mit einem früheren Datensatz zurückzuführen sein. Diese Fehlregistrierungen können zum Beispiel auftreten, wenn ein natürliches Merkmal in der Umgebung, das vom System für die Registrierung verwendet wird, verschoben wird. Andere Fehler können aufgrund von Mehrdeutigkeiten im Datensatz auftreten.
Beispielsweise 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 werden ein Verfahren und ein System zum Erzeugen einer zweidimensionalen Karte mit einem optischen Scanner bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Erfassen von Koordinatendaten von Punkten in einem Bereich, der mit einem mobilen optischen Scanner abgetastet wird. Eine aktuelle 2D-Karte aus den Koordinatendaten wird generiert. Eine Kopie der aktuellen 2D-Karte wird periodisch oder aperiodisch gespeichert. Mindestens ein Datenregistrierungsfehler wird in der aktuellen 2D-Karte identifiziert. Die gespeicherte Kopie der aktuellen 2D-Karte von einem Zeitpunkt vor dem Registrierungsfehler wird bestimmt. Ein zweiter Datensatz von Koordinatendaten, der nach der ermittelten gespeicherten Kopie erfasst wird, wird identifiziert. Der zweite Datensatz wird an der ermittelten gespeicherten Kopie ausgerichtet, um eine neue aktuelle 2D-Karte zu bilden. Die neue aktuelle 2D-Karte wird im Speicher gespeichert.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein anderes Verfahren und System zum Erzeugen einer zweidimensionalen Karte mit einem Scanner bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Erfassen eines ersten Satzes von Koordinatendaten mit einem optischen Scanner. Es wird bestimmt, dass eine vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist oder eine vorbestimmte Entfernung abgetastet wurde. Eine erste Kopie einer zweidimensionalen Karte, die aus dem ersten Satz von Koordinatendaten erzeugt wird, die während der vorbestimmten Zeitdauer oder der vorbestimmten Entfernung erfasst wurden, wird in einem Speicher eines Prozessors gespeichert, der betriebsfähig mit dem optischen Scanner gekoppelt ist. Ein zweiter Satz von Koordinatendaten wird mit dem optischen Scanner erfasst. Eine aktuelle zweidimensionale Karte wird zumindest teilweise auf dem ersten Satz von Koordinatendaten und dem zweiten Satz von Koordinatendaten erzeugt. Ein Registrierungsfehler wird in der aktuellen zweidimensionalen Karte bestimmt. Es wird festgestellt, dass die erste Kopie den Registrierungsfehler nicht enthält. Der zweite Satz von Koordinatendaten wird bei der ersten Kopie registriert. Die aktuelle zweidimensionale Karte wird durch eine neue zweidimensionale Karte ersetzt, die zumindest teilweise basiert ist auf der Registrierung des zweiten Satzes von Koordinatendaten auf der ersten Kopie.
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 Laser-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 ist ein Flussdiagramm, das das Speichern von Kartenschnappschüssen mit dem Abbildungssystem gemäß einer Ausführungsform darstellt;
14 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben des Abbildungssystems gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht; und
15, 16 und 17 sind 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 Laser-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, die konfiguriert sind, um die Plattform 38 über die Oberfläche 43 zu bewegen. In einer Ausführungsform kann jedes der Räder einen Sperrmechanismus 42 aufweisen, der eine Bewegung der mobilen Plattform 38 verhindert, wenn die Sperren eingerastet werden.
In Bezug auf die 3 bis 5 ist der Laserscanner 32 zum optischen Abtasten und Messen der den Laserscanner 32 umgebenden Umgebung gezeigt. In 2 ist der Laserscanner 32 konfiguriert, was als ”horizontaler Modus” bezeichnet werden kann. Wie hierin detaillierter erörtert wird, emittiert der Laserscanner 32 in einem horizontalen Modus Laserlicht in einer Ebene, die im Allgemeinen parallel zu der Oberfläche 43. Dies ermöglicht die Erfassung der 2D-Koordinatendaten der umgebenden Objekte, die sich in der Ebene des emittierten Laserlichts befinden. Es sollte beachtet werden, dass in anderen Ausführungsformen der Laserscanner 32 vertikal oder in einem Winkel relativ zu der Oberfläche 43 ausgerichtet sein kann.
Der Laserscanner 32 weist einen Messkopf 40 und eine Basis 42 auf. Der Messkopf 40 ist auf der Basis 42 montiert. In Ausführungsformen, in denen der Laserscanner 3D-Koordinatendaten erfasst, kann der Laserscanner 32 auf der Basis 42 um ein Die erste Achse 44 kann, wenn sie in der horizontalen Betriebsart ausgerichtet ist, in der Bewegungsrichtung des Systems 30 sein. In einer Ausführungsform umfasst der Messkopf 40 einen Kardanpunkt 46, der ein Drehzentrum um die erste Achse ist. Beim Betrieb in einem horizontalen Modus können die erste Achse 44 und die zweite Achse 48 eine Ebene definieren, die allgemein parallel zu der Oberfläche 43 ist.
Der Messkopf 40 hat einen Drehspiegel 50, der um die zweite Achse 48 gedreht werden kann. Die Drehung um die vertikale Achse kann ungefähr die Mitte der Basis 42 sein. Die Begriffe vertikale Achse und horizontale Achse beziehen sich auf den Scanner in seiner normalen Form. aufrechte Position. Mit anderen Worten erstreckt sich die Achse 44 im horizontalen Modus ungefähr parallel zum Boden oder Boden und die Achse 48 ist annähernd senkrecht zum Boden oder Boden. Es sollte erkannt werden, dass es auch möglich ist, eine 3D-Koordinatenmessvorrichtung auf ihrer Seite oder auf dem Kopf stehend zu betreiben, wenn in vertikalen Modi die Begriffe Azimutachse und Zenithachse die Begriffe erste Achse und zweite Achse ersetzen können. Der Begriff Schwenkachse oder stehende Achse kann auch als alternative Nomenklatur 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. In einem horizontalen Modus befinden sich der emittierte Lichtstrahl 54 und der reflektierte Lichtstrahl 56 in der Ebene, die durch die Achse 44, 48 definiert ist. Die Richtungen des emittierten Lichtstrahls 54 und des reflektierten Lichtstrahls 56 ergeben sich aus den Winkelpositionen der Drehspiegel 50 die Achse 48. Diese Winkelstellungen hängen wiederum von den entsprechenden Drehantrieben oder Motoren ab. Es sollte beachtet werden, dass dort, wo der Laserscanner 32 dreidimensionale Daten erfasst. Die Richtungen des emittierten Lichtstrahls 54 und des reflektierten Lichtstrahls 56 ergeben sich aus den Winkelpositionen des Drehspiegels 50 und das Unterteil 42 um jeweils die Achsen 44, 48.
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 (d. h. „vertikaler Modus”) erfolgt das Scannen des Bereichs um den Laserscanner 20 durch relativ schnelle Rotation des Drehspiegels 26 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 24 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.
In einer Ausführungsform befindet sich eine Kamera (erstes Bilderfassungsgerät) 90 im Inneren des Scanners 30 und kann die gleiche optische Achse wie das Laser-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 Laser-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 System 30 verteilt sind. Die Ausführungsform in 6 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 Laser-Scanners 32 per IEEE 802.11 (WLAN) 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 der Laser-Scanner 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 42 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 Laser-Scanner 32 angebracht, wie in 2 gezeigt. In einer weiteren Ausführungsform ist der 2D-Scanner 34 im Laser-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 beispielsweise auf dem Gehäuse des Laser-Scanners angebracht. 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 Laser-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 der Laser-Scanner 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 Systems 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 Laser-Scanner 32 im System 30 nimmt einen ersten 2D-Scan des Objekts 112 vor. In einer Ausführungsform kann der Laser-Scanner 32 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 Laser-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 2D-Scan durch den Laser-Scanner 32 beendet ist, empfangt 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 Systems 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 Koordinatensystem bekannt sind. In einer Ausführungsform wird das gemeinsame Koordinatensystem durch kartesische 2D-Koordinaten x, y und durch einen Rotationswinkel ⎕ 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, ⎕) Koordinatensystems ist das Koordinatensystem 122 in 11A.
Auf dem Objekt 112 gibt es eine Überlappungsregion 124 zwischen dem ersten 2D-Scan (der an der ersten Registrierungsposition 110 gesammelt wird) und dem zweiten 2D-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 2D-Scan als auch im zweiten 2D-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 110 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 ⎕⎕ 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, ⎕ 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 Laser-Scanners 32 und des Systems 30 entsprechen. Auf diese Weise kann das Prozessorsystem 36 die Änderung der Werte x, y, ⎕ 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 Scandaten, die vom Laser-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 34 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 d⎕. Wenn die ersten Scandaten mit der 2D-Scanner-Baueinheit 108 gesammelt werden, die die Verschiebungs- und Rotationskoordinaten (in einem Referenzkoordinatensystem) (x₁, y₁, ⎕₁) hat, dann werden bei Sammlung der zweiten 2D-Scandaten an einem zweiten Ort die Koordinaten durch (x₂, y₂, ⎕₂) = (x₁ + dx, y₁ + dy, ⎕₁ + d⎕) 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 Laser-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 Position-/Ausrichtungssensor 106. Der Laser-Scanner 32 des Systems 30 führt einen Scan des Objekts 112 aus, um Koordinatendaten in der Ebene, die durch die Achsen 44, 48 definiert sind, zu erhalten. Dieser Scan wird als zweiter Laser-Scan bezeichnet, um ihn vom ersten Laser-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 Laser-Scans relativ zum ersten Laser-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 Laser-Scans relativ zum ersten Laser-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 Laser-Scan-Rohdaten oder auf geometrische Repräsentationen der Laser-Scandaten, z. B. durch eine Sammlung von Liniensegmenten, angewandt werden.
Außerhalb der Überlappungsregion 124 werden die ausgerichteten Werte des ersten Laser-Scans und des zweiten Laser-Scans in einem registrierten Laser-Datensatz kombiniert. Innerhalb der Überlappungsregion basieren die Laser-Scanwerte, die im registrierten Laser-Datensatz enthalten sind, auf irgendeiner Kombination von Laser-Scannerdaten von den ausgerichteten Werten des ersten Laser-Scans und des zweiten Laser-Scans.
Die in 12 gezeigte Ausführungsform zeigt ein Verfahren 150 zur Messung und Registrierung von Koordinaten, die von Laser-Scanner 32 erhalten wurden. Das Verfahren 150 beginnt in Block 152, wo ein System 30, einschließlich eines Prozessorsystems, eines Laser-Scanners, eines 2D-Scanners und einer beweglichen Plattform, vorgesehen ist. Das Prozessorsystem kann mindestens einen von einem Laser-Scanner-Controller, einem Laser-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 Laser-Scanner hat eine erste Lichtquelle, eine erste Strahl-Lenkeinheit, ein erstes Winkelmessgerät, ein zweites Winkelmessgerät und einen ersten Empfänger. In Ausführungsformen, in denen der Laserscanner 3D-Koordinaten erfasst, kann der Laserscanner ferner eine zweite Winkelmessvorrichtung und einen ersten Lichtempfänger aufweisen. 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. 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 Achse bestimmt (z. B. Achse 48). Das erste Winkelmessgerät ist so konfiguriert, dass es den ersten Rotationswinkel misst. Wenn 3D-Koordinaten erfasst werden, kann die erste Richtung ferner durch einen zweiten Drehwinkel um eine andere Achse (z. B. Achse 44) bestimmt werden 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 Laser-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 falls nötig 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 Laser-Scanner und den 2D-Scanner trägt. Der Laser-Scanner ist relativ zum Laser-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 Laser-Scanner 3D-Koordinaten einer ersten Sammlung von Punkten auf einer Objektoberfläche bestimmt, während das System 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 Laser-Scanner Koordinaten einer zweiten Sammlung von Punkten auf der Objektoberfläche bestimmt, während das System 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 führt dann mit Block 164 fort, wo die 2D-Koordinaten einer registrierten 3D-Sammlung von Punkten mindestens teilweise auf der Grundlage eines zweiten mathematischen Kriteriums, der Übereinstimmung unter den Registrierungszielen, der 2D-Koordinaten der ersten Punktesammlung und der 2D-Koordinaten der zweiten Punktesammlung bestimmt werden. Das Verfahren 150 speichert die 2D-Koordinaten der registrierten 2D-Punktesammlung im Speicherblock 166.
Diese gespeicherten 2D-Koordinaten können dann verwendet werden, um 2D-Karten des abzutastenden Bereichs zu erzeugen, wie beispielsweise in 1 gezeigt. Während des Scanvorgangs können Fehler bei der Registrierung der 2D-Punktsammlung auftreten. Diese Fehler können zum Beispiel auftreten, wenn ein im Registrierungsprozess verwendetes natürliches Merkmal bewegt wird (z. B. eine Tür geöffnet wird). Eine andere Art von Registrierungsfehler wird manchmal als ”Schleife” bezeichnet. Bei dieser Art von Fehler bewegt der Bediener das System durch die Umgebung in einem Pfad mit geschlossener Schleife, mit anderen Worten, der Anfang und das Ende der Abtastung finden an der gleichen Stelle statt. Da sich Fehler während des Scanvorgangs ansammeln, stimmt der Ort des Endpunkts (in den Scandaten) möglicherweise nicht mit dem Startpunkt überein. Wenn ein Fehler bei der Registrierung auftritt, kann die graphische Darstellung (z. B. die 2D-Karte) der Punkte in der 2D-Sammlung von Punkten, die nach dem Fehler bei der Registrierung erfasst werden, nicht richtig ausgerichtet (x oder y verschoben) oder relativ zu den früher erworbenen Punkten orientiert (yaw) werden. Ein Beispiel eines Registrierungsfehlers ist in 2 gezeigt, das dazu führte, dass ein Raum 200 sich in einem Winkel relativ zu dem benachbarten Gang 202 befindet. Es sollte erkannt werden, dass es wünschenswert ist, die 2D-Sammlung von Punkten und die 2D-Karte einstellen zu können, um den Fehler zu korrigieren.
Gemäß einer Ausführungsform ist das System 30 konfiguriert, um periodisch eine Kopie der 2D-Sammlung von Punkten im Speicher zu speichern, so dass sie später wieder aufgerufen werden kann. Diese Speicherung der Kopie der 2D-Sammlung von Punkten kann umgangssprachlich als ”Schnappschuss” bezeichnet werden, was bedeutet, dass sie eine Kopie der Daten zu einem bestimmten Zeitpunkt bereitstellt. Wie in 13 gezeigt ist, kann das Verfahren 150 über den Verlauf der Zeit T durchgeführt werden. Zu vorbestimmten Zeitperioden wird eine Kopie ”K” der 2D-Punktsammlung gespeichert. Es sollte erkannt werden, dass die Anzahl von Schnappschüssen der 2D-Sammlung von Punkten, die gespeichert werden können, auf der Menge an Speicher basiert, auf die das System 30 zugreifen kann oder Zugriff hat. In der beispielhaften Ausführungsform speichert das System 30 bis zu vier Schnappschüsse der 2D-Sammlung von Punkten. Nachdem der vierte Schnappschuss gespeichert ist, überschreibt das System 30 am nächsten Punkt, an dem die Daten gespeichert werden sollen (z. B. nach dem vorbestimmten Zeitraum), den ältesten gespeicherten Schnappschuss (z. B. K = 1). Es sollte erkannt werden, dass die hierin beschriebene Anzahl von Schnappschüssen beispielhaften Zwecken dient und dass das System 30 mehr oder weniger Schnappschüsse speichern kann.
Unter Bezugnahme auf 14 ist ein Verfahren 210 zum Korrigieren der 2D-Sammlung von Punkten gezeigt, nachdem ein Fehler bei der Registrierung aufgetreten ist. Das Verfahren 210 startet in Block 212, wo das Abbilden/Scannen initiiert wird. Das Verfahren 210 schreitet dann zu Block 214 fort, wo Koordinatendaten für die Punkte in dem abgetasteten Bereich erfasst werden. In einer Ausführungsform wird das mit Bezug auf 12 beschriebene Verfahren 150 in Block 214 durchgeführt. Das Verfahren 210 fährt dann mit dem Abfrageblock 216 fort, wo bestimmt wird, ob die vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist. Wenn der Abfrageblock 216 ein positives Ergebnis zurückgibt, geht das Verfahren 210 zum Block 218 weiter, wo ein Schnappschuss ”K” im Speicher gespeichert wird und das Verfahren zum Block 214 zurückspringt.
Wenn der Abfrageblock 216 ein Negativ zurückgibt, fährt das Verfahren 210 mit dem Abfrageblock 220 fort, wo bestimmt wird, ob ein Fehler in der Registrierung identifiziert wurde. Wenn der Abfrageblock 216 ein Negativ zurückgibt, springt das Verfahren 210 zu Block 214 zurück und fährt fort, Koordinatendaten zu erfassen. Wenn der Abfrageblock 220 ein positives Ergebnis zurückgibt, was bedeutet, dass ein Fehler identifiziert wurde, fährt das Verfahren 210 mit Block 222 fort. In einer Ausführungsform kann die Identifikation des Registrierungsfehlers visuell durch den Bediener bestimmt werden. In anderen Ausführungsformen kann die Erfassung des Registrierungsfehlers automatisiert werden, zum Beispiel durch Vergleichen der 2D-Karte mit einer vorherigen Karte des Bereichs. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform, in der die 2D-Karte aus einem Gebäudeinneren gemacht wird, die 2D-Karte mit den Entwurfsplanungszeichnungen (z. B. Blaupausen) für das Gebäude verglichen werden. Wenn die 2D-Karte von dem Entwurfslayout, das größer als ein Schwellenwert ist, abweicht, kann ein Signal erzeugt werden, das den Bediener benachrichtigt.
In Block 222 wird der Schnappschuss ”K = n” mit den letzten bekannten korrekten Daten (z. B. Daten ohne Registrierungsfehler) aus den gespeicherten Schnappschussdaten identifiziert. In dem Beispiel von 15, wurden vier Schnappschüsse, K = 1, K = 2, K = 3 und K = 4 während des Scans erfasst. Es wurde festgestellt, dass die Daten für den Raum 200 bezüglich des Flures 202 falsch registriert sind. Da der Flur 202 korrekt zu sein scheint, wird der Schnappschuss K = 3 als der letzte Schnappschuss mit den korrekten Daten bestimmt. Das Verfahren 210 schreitet dann zu Block 224 fort, wo die Koordinatendaten in der 2D-Sammlung von Punkten, die nach dem Schnappschuss mit den korrekten Daten erfasst wurden (z. B. Daten, die nach Schnappschuss K = 3 erfasst wurden) von dem früheren Datensatz gegabelt werden.
Das Verfahren 210 schreitet dann zu Block 226 fort, wo die Daten ohne Registrierungsfehler (z. B. Schnappschuss K = 3) mit den später erfassten Daten ausgerichtet werden. In einer Ausführungsform wird die Ausrichtung durchgeführt, indem der fehlregistrierte Bereich gelöscht (Block 228) und neu erfasst oder erneut abgetastet wird. In dieser Ausführungsform wird das System 30 an den Ort des identifizierten Schnappschusses (K = 3) zurückverlegt und die 2D-Koordinatendaten werden wiedererlangt. Bei der Ausführungsform nach 15 werden das Ende des Flures 202 und der Raum 200 erneut abgetastet. Es sollte beachtet werden, dass bei einer Ausführungsform, bei der der fehlregistrierte Teil der Daten gelöscht wird, der Datensatz nicht gegabelt werden kann, sondern der Schnappschuss mit bekannten korrekten Daten (z. B. Schnappschuss K = 3) abgerufen und verwendet werden kann, um den aktuellen Datensatz zu ersetzen.
In einer anderen Ausführungsform kann der Bediener die Daten manuell neu ausrichten, um die fehlerhafte Verschiebung (x oder y) oder Orientierung (yaw) in den Daten zu korrigieren. Wie in 6 gezeigt, sind die nach dem Schnappschuss K = 3 erfassten Daten gegabelt oder von der früheren 2D-Punktsammlung getrennt. Der Bediener kann sich dann bewegen (wie durch die Pfeile 204, 206 angezeigt) und sich drehen (wie durch den Pfeil 208 angezeigt), bis die beiden Datensätze wie in 17 gezeigt, ausgerichtet sind. Sobald die Datensätze ausgerichtet sind, kann die 2D-Sammlung von Punkten als ein Schnappschuss gespeichert werden (z. B. K = 4).
In einer anderen Ausführungsform von Block 232 stellt der Bediener die Position und Orientierung des zweiten Datensatzes ein, d. h. die nach dem letzten bekannten Schnappschuss mit korrekten Daten erfassten Daten. In dieser Ausführungsform identifiziert das Verfahren 210 natürliche Merkmale in der 2D-Karte, wie zum Beispiel Ecken von Fluren, Pfosten oder Spalten, die sich mit dem zweiten Datensatz überschneiden. Wenn der Bediener die Position und Orientierung der späteren Daten relativ zu den früheren Daten einstellt, schnappt das Verfahren 210 die späteren Daten ein oder positioniert sie automatisch auf der Grundlage der natürlichen Merkmale, die innerhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts ausgerichtet sind.
In noch einer anderen Ausführungsform von Block 234 wird die Ausrichtung des zweiten Datensatzes automatisch ausgerichtet. In dieser Ausführungsform wird die geometrische Struktur des Schnappschussdatensatzes mit dem zweiten Datensatz verglichen, bis eine Überlagerung innerhalb einer vorbestimmten Wahrscheinlichkeitsschwelle erreicht wird. In dieser Ausführungsform kann eine Linienanpassungsmethodologie, wie zum Beispiel ein iterativer nächster Punkt (ICP), für die Ausrichtung der Datensätze verwendet werden. Sobald sich die 2D-Karte des zweiten Datensatzes in der korrekten Position befindet, wird der Versatzvektor vom vorherigen Kartenursprung zum neuen Kartenursprung im Koordinatensystem der vorherigen Karte bestimmt. Dieser Vektor wird automatisch auf alle Positionen in der neuen Karte angewendet. Dieser Vorgang kann n-mal wiederholt werden. Am Ende wird eine korrekte vollständige Karte erzeugt, die aus den einzelnen Karten im Koordinatensystem des ursprünglichen Koordinatensystems besteht.
Sobald der Datensatz für die 2D-Sammlung von Punkten ausgerichtet ist (oder wiedererlangt wurde), fährt das Verfahren 210 mit dem Abfrageblock 236 fort, wo bestimmt wird, ob eine zusätzliche Abbildung erwünscht ist. Wenn der Abfrageblock 236 ein positives Ergebnis zurückgibt, was bedeutet, dass eine zusätzliche Abbildung durchgeführt werden soll, springt das Verfahren 210 zurück zu Block 214. Wenn der Abfrageblock 236 ein Negativ zurückgibt, geht das Verfahren 210 zu Block 238 über und stoppt.
Es sollte beachtet werden, dass, obwohl Ausführungsformen hierin das System und das Verfahren zum Ausrichten von fehlregistrierten 2D-Daten beschreiben, dies nur beispielhafte Zwecke ist und die beanspruchte Erfindung nicht darauf beschränkt sein sollte. In anderen Ausführungsformen erfasst der Laser-Scanner 32 3D-Daten. In einigen Ausführungsformen kann die 2D-Karte aus den 3D-Daten erzeugt werden. In anderen Ausführungsformen können Datensätze, die aus einer 3D-Sammlung von Punkten bestehen, wie hierin beschrieben registriert und ausgerichtet werden.
Technische Effekte und Vorteile einiger Ausführungsformen umfassen das Bereitstellen eines Systems und eines Verfahrens zum Korrigieren von Kartendaten, die durch Abtasten erzeugt werden, wenn ein Fehler bei der Registrierung der Koordinaten von Punkten auftritt, die während der Abtastung erfasst wurden. Ein weiterer technischer Effekt und Vorteil besteht darin, dass Kartendaten, wie z. B. eine Gebäudekarte eines Gebäudes, in kürzerer Zeit mit verbesserter Genauigkeit erfasst werden können.
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
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8705012 [0043]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE 802.11 [0045]
Censi, A., ”An ICP variant using a point-to-line metric,” IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2008 [0062]

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer zweidimensionalen (2D) Karte, wobei das Verfahren umfasst: Erfassen von Koordinatendaten von Punkten in einem Bereich, der mit einem mobilen optischen Scanner abgetastet wird; Erzeugen einer aktuellen 2D-Karte aus den Koordinatendaten; Speichern einer Kopie der aktuellen 2D-Karte auf einer periodischen oder aperiodischen Basis; Identifizieren von mindestens einem Datenregistrierungsfehler in der aktuellen 2D-Karte; Bestimmen der gespeicherten Kopie der aktuellen 2D-Karte von einem Zeitpunkt vor dem Registrierungsfehler; Identifizieren eines zweiten Datensatzes von Koordinatendaten, die nach der bestimmten gespeicherten Kopie erfasst wurden; Ausrichten des zweiten Datensatzes auf die bestimmte gespeicherte Kopie, um eine neue aktuelle 2D-Karte zu bilden; und Speichern der neuen aktuellen 2D-Karte.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausrichten des zweiten Datensatzes das Löschen des zweiten Datensatzes und das erneute Abtasten eines Teils des mit dem zweiten Datensatz verbundenen Bereichs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausrichten des zweiten Datensatzes das Durchführen einer Verschiebung oder einer Drehung des zweiten Datensatzes durch den Bediener relativ zu der bestimmten gespeicherten Kopie umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausrichten des zweiten Datensatzes umfasst: Durchführen einer Verschiebung oder einer Drehung des zweiten Datensatzes relativ zu der bestimmten gespeicherten Kopie durch den Bediener; Identifizieren überlappender natürlicher Merkmale in der bestimmten gespeicherten Kopie und dem zweiten Datensatz; und automatisches Verschieben und Drehen des zweiten Datensatzes mit der ermittelten gespeicherten Kopie, wenn die überlappenden natürlichen Merkmale durch den Bediener innerhalb einer vorbestimmten Schwelle ausgerichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausrichten des zweiten Datensatzes umfasst: Vergleichen der bestimmten gespeicherten Kopie mit dem zweiten Datensatz, bis eine Überlagerung innerhalb einer vorbestimmten Wahrscheinlichkeitsschwelle erreicht ist; Bestimmen des Versatzvektors von einem vorherigen Kartenursprung zu einem neuen Kartenursprung in einem Koordinatensystem einer vorherigen Karte; und Anwenden des Offsetvektors auf alle Positionen in einer neuen Karte.
Verfahren zum Erzeugen einer zweidimensionalen Karte mit einem Scanner, wobei das Verfahren umfasst: Erfassen eines ersten Satzes von Koordinatendaten mit einem optischen Scanner; Bestimmen einer vorbestimmten Zeitdauer ist verstrichen oder eine vorbestimmte Entfernung ist abgetastet worden; Speichern einer ersten Kopie einer zweidimensionalen Karte, die aus dem ersten Satz von Koordinatendaten erzeugt wird, die während der vorbestimmten Zeitdauer oder der vorbestimmten Entfernung erfasst wurden, in einem Speicher eines Prozessors, der mit dem optischen Scanner funktionsfähig gekoppelt ist; Erfassen eines zweiten Satzes von Koordinatendaten mit dem optischen Scanner; Erzeugen einer aktuellen zweidimensionalen Karte basierend zumindest teilweise auf dem ersten Satz von Koordinatendaten und dem zweiten Satz von Koordinatendaten; Bestimmen eines Registrierungsfehlers in der aktuellen zweidimensionalen Karte; Bestimmen der ersten Kopie enthält nicht den Registrierungsfehler; Registrieren des zweiten Satzes von Koordinatendaten mit der ersten Kopie; und Ersetzen der aktuellen zweidimensionalen Karte durch eine neue zweidimensionale Karte, die zumindest teilweise ist basiert auf der Registrierung des zweiten Satzes von Koordinatendaten auf der ersten Kopie.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Registrierens des zweiten Satzes von Koordinatendaten ferner das manuelle Ausrichten des zweiten Satzes von Koordinatendaten durch den Bediener an die erste Kopie enthält.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Registrierens des zweiten Satzes von Koordinatendaten weiterhin umfasst: manuelles Ausrichten des zweiten Koordinatendatensatzes durch den Bediener auf die erste Kopie; und automatisches Bewegen und Ausrichten des zweiten Satzes von Koordinatendaten, wenn der Bediener den zweiten Satz von Koordinatendaten innerhalb einer vorbestimmten Entfernung von der ersten Kopie bewegt hat.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Registrierens des zweiten Satzes von Koordinatendaten weiterhin umfasst: Anpassen einer geometrischen Struktur der ersten Kopie an den zweiten Satz von Koordinatendaten; und Ausrichten der ersten Kopie und der zweiten Menge von Koordinatendaten, wenn eine Überlagerung der geometrischen Struktur innerhalb einer vorbestimmten Wahrscheinlichkeitsschwelle liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Registrierens des zweiten Satzes von Koordinatendaten umfasst: Löschen des zweiten Satzes von Koordinatendaten; Bewegen des optischen Scanners zu einem Ort im Realraum neben einem Ende einer geometrischen Struktur der ersten Kopie; Wiedergewinnen eines dritten Satzes von Koordinatendaten mit dem optischen Scanner, wobei der dritte Satz von Koordinatendaten einem Bereich entspricht, der durch den zweiten Satz von Koordinatendaten abgedeckt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend das Verzweigen der aktuellen zweidimensionalen Karte, um die nach der ersten Kopie erfassten Koordinatendaten zu trennen.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend: Speichern einer zweiten Kopie einer zweidimensionalen Karte, die aus einem dritten Satz von Koordinatendaten erzeugt wird, die während einer zweiten vorbestimmten Zeitdauer oder einer zweiten vorbestimmten Entfernung im Speicher eines Prozessors erfasst wurden, der betriebsmäßig mit dem optischen Scanner gekoppelt ist; Speichern einer dritten Kopie einer zweidimensionalen Karte, die aus einem vierten Satz von Koordinatendaten erzeugt wird, die während einer vierten vorbestimmten Zeitdauer oder einer vierten vorbestimmten Entfernung im Speicher eines Prozessors erfasst wurden, der betriebsmäßig mit dem optischen Scanner gekoppelt ist; und in Reaktion auf das Bestimmen eines Registrierungsfehlers, bestimmen welche der ersten Kopie, der zweiten Kopie oder der dritten Kopie, die am spätesten in der Zeit ist, den Registrierungsfehler nicht enthält.
System zum Erzeugen einer zweidimensionalen Karte mit einem Scanner, wobei das System umfasst: ein optischer Scanner; einen oder mehrere Prozessoren, die operativ an den Speicher gekoppelt sind, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren auf ausführbare Computeranweisungen ansprechen, wobei die ausführbaren Computeranweisungen umfassend Erfassen eines ersten Satzes von Koordinatendaten mit dem optischen Scanner; Bestimmen einer vorbestimmten Zeitdauer ist verstrichen oder eine vorbestimmte Entfernung ist abgetastet worden; Speichern einer ersten Kopie einer zweidimensionalen Karte, die aus dem ersten Satz von Koordinatendaten erzeugt wurde, die während der vorbestimmten Zeitdauer oder der vorbestimmten Entfernung in dem Speicher erfasst wurden; Erfassen eines zweiten Satzes von Koordinatendaten mit dem optischen Scanner; Erzeugen einer aktuellen zweidimensionalen Karte basierend zumindest teilweise auf dem ersten Satz von Koordinatendaten und dem zweiten Satz von Koordinatendaten; Bestimmen eines Registrierungsfehlers in der aktuellen zweidimensionalen Karte; Bestimmen der ersten Kopie enthält nicht den Registrierungsfehler; Registrieren des zweiten Satzes von Koordinatendaten mit der ersten Kopie; und Ersetzen der aktuellen zweidimensionalen Karte durch eine neue zweidimensionale Karte, die zumindest teilweise ist basiert auf der Registrierung des zweiten Satzes von Koordinatendaten auf der ersten Kopie.
System nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Registrierens des zweiten Satzes von Koordinatendaten ferner das manuelle Ausrichten des zweiten Satzes von Koordinatendaten durch den Bediener an die erste Kopie enthält.
System nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Registrierens des zweiten Satzes von Koordinatendaten weiterhin umfasst: manuelles Ausrichten des zweiten Koordinatendatensatzes durch den Bediener auf die erste Kopie; und automatisches Bewegen und Ausrichten des zweiten Satzes von Koordinatendaten, wenn der Bediener den zweiten Satz von Koordinatendaten innerhalb einer vorbestimmten Entfernung von der ersten Kopie bewegt hat.
System nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Registrierens des zweiten Satzes von Koordinatendaten weiterhin umfasst: Anpassen einer geometrischen Struktur der ersten Kopie an den zweiten Satz von Koordinatendaten; und Ausrichten der ersten Kopie und der zweiten Menge von Koordinatendaten, wenn eine Überlagerung der geometrischen Struktur innerhalb einer vorbestimmten Wahrscheinlichkeitsschwelle liegt.
System nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Registrierens des zweiten Satzes von Koordinatendaten umfasst: Löschen des zweiten Satzes von Koordinatendaten; Bewegen des optischen Scanners zu einem Ort im Realraum neben einem Ende einer geometrischen Struktur der ersten Kopie; Wiedergewinnen eines dritten Satzes von Koordinatendaten mit dem optischen Scanner, wobei der dritte Satz von Koordinatendaten einem Bereich entspricht, der durch den zweiten Satz von Koordinatendaten abgedeckt ist.
System nach Anspruch 13, ferner umfassend das Verzweigen der aktuellen zweidimensionalen Karte, um die nach der ersten Kopie erfassten Koordinatendaten zu trennen.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend: Speichern einer zweiten Kopie einer zweidimensionalen Karte, die aus einem dritten Satz von Koordinatendaten erzeugt wird, die während einer zweiten vorbestimmten Zeitdauer oder einer zweiten vorbestimmten Entfernung im Speicher eines Prozessors erfasst wurden, der betriebsmäßig mit dem optischen Scanner gekoppelt ist; Speichern einer dritten Kopie einer zweidimensionalen Karte, die aus einem vierten Satz von Koordinatendaten erzeugt wird, die während einer vierten vorbestimmten Zeitdauer oder einer vierten vorbestimmten Entfernung im Speicher eines Prozessors erfasst wurden, der betriebsmäßig mit dem optischen Scanner gekoppelt ist; und in Reaktion auf das Bestimmen eines Registrierungsfehlers, der bestimmt, welche der ersten Kopie, der zweiten Kopie oder der dritten Kopie, die am spätesten in der Zeit ist, den Registrierungsfehler nicht enthält.