DE202006020299U1

DE202006020299U1 - 3D-Vermessungsanordnung

Info

Publication number: DE202006020299U1
Application number: DE202006020299U
Authority: DE
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2016-05-17

Abstract

3D-Vermessungsanordnung (10) zur dreidimensionalen Erfassung eines Objektes, mit
einem mobilen Erfassungsgerät (12) mit mindestens einem 3D-Sensor zur dreidimensionalen Erfassung des Objektes in Bezug auf das Erfassungsgerät (12),
einer Tracking-Vorrichtung (14) zur Erfassung der Position und Lage des Erfassungsgerätes (12) im Raum, und
einem Rechner (17), der mit dem Erfassungsgerät (12) und der Tracking-Vorrichtung (14) verbunden ist und aus Erfassungsdaten des Erfassungsgerätes (12) und der Tracking-Vorrichtung (14) eine dreidimensionale Beschreibung des Objektes generiert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine 3D-Vermessungsanordnung zur dreidimensionalen Erfassung eines Objektes und auf ein Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung eines Objektes.
Aus dem Stand der Technik sind im Wesentlichen stationäre 3D-Vermessungsanordnungen bekannt. Diese haben den Nachteil, dass entweder die Entfernung zwischen der Vermessungsanordnung und dem Objekt unter Umständen sehr groß ist, oder aber die Handhabung umständlich ist, da sie für eine genaue dreidimensionale Erfassung des Objekts zunächst in der Nähe des Objektes stationiert und initialisiert werden müssen. Zur Erfassung eines großen, unhandlichen und unbeweglichen Objekts von allen Seiten muss die Vermessungsanordnung von mindestens drei stationären Messorten aus das Objekt erfassen. Hierzu muss an jedem Messort eine Neuinitialisierung auf den neuen Messort erfolgen, bevor mit der eigentlichen Erfassung begonnen werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine mobile und effektive 3D-Vermessungsanordnung zur dreidimensionalen Erfassung eines Objektes zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die erfindungsgemäße 3D-Vermessungsanordnung ist vorliegend eine Vermessungsanordnung, die ein mobiles Erfassungsgerät aufweist. Das mobile Erfassungsgerät weist mindestens einen 3D-Sensor zur dreidimensionalen Erfassung des Objekts in Bezug auf das Erfassungsgerät auf. Das Erfassungsgerät ist mobil, d.h. es kann zwischen zwei Erfassungen, jedoch grundsätzlich auch während der Erfassung des Objekts bewegt werden. Ferner ist eine stationäre Tracking-Vorrichtung zur Erfassung der Position und der Lage des Erfassungsgerätes im Raum vorgesehen. Die Tracking-Vorrichtung kann also ständig eine Initialisierung, d.h. eine genaue Lage- und Positionsbestimmung des Erfassungsgerätes vornehmen.
Schließlich ist ein Rechner vorgesehen, der mit dem Erfassungsgerät und der Tracking-Vorrichtung verbunden ist und aus den Erfassungsdaten des Erfassungsgerätes und aus den Erfassungsdaten der Tracking-Vorrichtung eine dreidimensionale Beschreibung des Objekts generiert. Die gesamte 3D-Vermessungsanordnung kann automatisch arbeiten, d.h. ohne besondere Eingriffe. Dies ist insbesondere auch dann möglich, wenn das Erfassungsgerät während der Objekterfassung bewegt wird. Die während der Bewegung gewonnenen Erfassungsdaten sind nicht aussagelos, wie bei herkömmlichen Vermessungsanordnungen, sondern können mit Hilfe der Erfassungsdaten der Tracking-Vorrichtung normiert und dadurch für die Beschreibung des Objektes genutzt werden.
Für die 3D-Vermessungsanordnung bieten sich eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Beispielswiese kann das mobile Erfassungsgerät ein Handgerät sein, das relativ klein ist und vom Bediener problemlos in der Hand gehalten werden kann. Auf diese Weise kann ein unbewegtes Objekt durch Umschreiten des Objektes problemlos und präzise dreidimensional erfasst werden. Durch die Mobilität des Erfassungsgerätes kann dieses ferner stets relativ nah an das Objekt herangebracht werden. Hierdurch verbessert sich systematisch die Genauigkeit der Objekterfassung. Das mobile Erfassungsgerät kann ferner an Roboterarmen eingesetzt werden, die im Rahmen eines Herstellungsprozesses Kontroll- und/oder Montageaufgaben ausführen. Weitere Anwendungsgebiete sind beispielsweise Reverse-Engineering, Planung und Konstruktion, Designstudien, handgeführte 3D-Modellierung, Kalibrierung von Roboter-Arbeitsräumen bis hin zu virtuellen Ausstellungen oder Museen.
Vorzugsweise weist das mobile Erfassungsgerät mindestens zwei verschiedenartige 3D-Sensoren auf. Durch die Integration verschiedenartiger 3D-Sensoren in das Erfassungsgerät kann jeweils der für die konkrete Erfassungsaufgabe am besten geeignete 3D-Sensor gewählt werden. Die Wahl des geeigneten 3D-Sensors kann manuell oder automatisch erfolgen. Der 3D-Sensor kann beispielsweise als Stereokamera, als Triangulations-Laserscanner oder als Lichtschnitt-Sensor ausgebildet sein. Jeder der drei genannten Sensorarten weist besondere Vorteile auf, die sich zur Erzielung eines großen Messbereiches, einer hohen Messgenauigkeit und einer hohen Redundanz miteinander kombinieren lassen.
Durch die Integration verschiedenartiger Sensoren in dem Erfassungsgerät ist es möglich, den jeweils geeignetsten 3D-Sensor für die entsprechende Aufgabe zu wählen. Es können vorzugsweise auch mehrere 3D-Sensoren gleichzeitig zur Erfassung des Objekts eingesetzt und von dem Rechner ausgewertet werden. Dies ist jedenfalls dann möglich, wenn sich das Objekt in einer Messentfernung befindet, die von den beiden betreffende 3D-Sensoren erfasst wird. Selbstverständlich kann das Objekt auch gleichzeitig von mehr als zwei 3D-Sensoren erfasst werden. Hierdurch werden die Genauigkeit der Objektbeschreibung und die Redundanz erhöht.
Die Stereokamera ermöglicht eine gerichtete Aufnahme eines relativ weit entfernten Objekts. Der Lichtschnitt-Sensor hat eine hohe Präzision bei mittleren Entfernungen. Der Laserscanner wiederum bietet eine sehr hohe Genauigkeit im Nahbereich.
Selbstverständlich kann auch ein mechanischer 3D-Sensor eingesetzt werden. Bevorzugt werden jedoch berührungslose 3D-Sensoren verwendet.
Vorzugsweise weist die Tracking-Vorrichtung mindestens zwei im Raum feststehende Tracking-Kameras und mindestens zwei Marker an dem Erfassungsgerät auf. Die Marker können aktive oder passive Marker sein, d.h. retroreflexiv oder selbstemittierend ausgebildet sein.
Die beschriebene Konzeption ermöglicht es, zusätzlich zu der optischen Tracking-Vorrichtung auch andere Tracking-Vorrichtungen einzusetzen, beispielsweise Manipulatoren oder Inertialsensoren.
Vorzugsweise weist der Rechner einen Taktgenerator auf, durch den die 3D-Sensoren miteinander und mit dem Rechner synchronisiert werden. Eine Synchronisation ist insbesondere dann notwendig, wenn sich das Erfassungsgerät und/oder das Objekt während der Erfassung bewegt. Durch die Synchronisation wird sichergestellt, dass sich die Objekterfassungen der verschiedenen Sensoren und der Tracking-Vorrichtung exakt auf denselben Zeitpunkt beziehen.
Alternativ oder ergänzend kann der Rechner einen Zeitstempel-Generator aufweisen und die Erfassungsdaten der 3D-Sensoren und ggf. der Tracking-Vorrichtung mit einem Zeitstempel versehen. Bei der Erfassung dreidimensionaler Daten fallen unter Umständen so große Datenmengen an, dass eine genaue Auswertung zeitversetzt erfolgt. Hierfür ist die Markierung aller Erfassungsdaten mit einem Zeitstempel erforderlich, da hierdurch eine nachträgliche Synchronisation aller Erfassungsdaten ermöglicht wird.
Damit sind die Erfassungsdaten dem Aufnahmezeitpunkt eindeutig zugeordnet und können die Erfassungsdaten insbesondere mehrerer 3D-Sensoren online oder offline fusioniert werden. Durch einen Austausch der Zeitstempel über ein Echtzeit-Bussystem, beispielsweise einen CAN-Bus, können theoretisch beliebig viele 3D-Sensoren miteinander kombiniert werden.
Selbstverständlich kann das Taktsignal und/oder der Zeitstempel auch in dem jeweiligen 3D-Sensor selbst erzeugt werden.
Im Folgenden wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße 3D-Vermessungsanordnung mit einem mobilen Erfassungsgerät, einer stationären Tracking-Vorrichtung und einem Rechner, und
2 das mobile Erfassungsgerät der 1 im Querschnitt und einem Handgriff bzw. einem Teil eines Industrieroboters, an den das Erfassungsgerät angekoppelt werden kann.
In der 1 ist schematisch eine 3D-Vermessungsanordnung 10 zur dreidimensionalen Erfassung eines Objektes dargestellt.
Die Vermessungsanordnung 10 weist ein mobiles Erfassungsgerät 12, eine stationäre Tracking-Vorrichtung 14 und einen Rechner 17 auf.
Die Tracking-Vorrichtung 14 wird von zwei stationären, d.h. ortsfesten Kameras 16 und Markern 18 zweier Markervorrichtungen 20 an dem Erfassungsgerät 12 gebildet. Die Marker 18 sind als aktive Marker ausgebildet, d.h. sie emittieren Licht. Alternativ können die Marker mit retroreflektierendem Material versehen sein und durch Lichtblitze von stationären Strahlern illuminiert werden. Durch die Tracking-Anordnung 14 kann die Lage und Position des mobilen Erfassungsgerätes 12 in Bezug auf alle sechs Raumachsen exakt erfasst werden. Die Tracking-Anordnung 14 kann auch mehr als zwei Tracking-Kameras 16 aufweisen.
Das mobile Erfassungsgerät 12 weist mehrere 3D-Sensoren auf, nämlich eine Stereokamera 26, die von zwei 2D-Kameras 28 gebildet wird, ein Laserscanner 30, der mit Hilfe eines Triangulationssensors die Objekt-Entfernung punktweise ermittelt, und einem Lichtschnittsensor 32, der von einer 2D-Kamera 28 und einem oder zwei Linienlasermodulen 34 gebildet wird.
Auf der Oberseite des Gehäuses 36 des Erfassungsgerätes 12 ist ein Display 38 zur Anzeige verschiedener Parameter vorgesehen.
In der 2 ist das Erfassungsgerät 12 im Querschnitt dargestellt. In dem Gehäuse 36 ist eine Platine 40 mit einem sogenannten "embedded PC" und weiteren Bauelementen angeordnet, die zur Ansteuerung der Marker 18, der 2D-Kameras 26, des Laserscanners 30, der Linienlasermodule 34, des Displays 38, der Firewire- und USB-Schnittstellen, der Spannungsversorgung und von Bedienungselementen dient.
Ferner weist das Erfassungsgerät 12 rückseitig ein erstes Schnellkupplungselement 44 auf, das mit zweiten Schnellkupplungselementen 46 zusammenkuppelbar ist.
Das Erfassungsgerät 12 kann auf diese Weise beispielsweise mit einem Handgriff 42 zusammengekuppelt werden, der Bedienelemente 54 zur Bedienung der Vermessungsanordnung 12 aufweist. Ferner ist in dem Handgriff 42 eine Sende- und Empfangseinheit 56 vorgesehen, durch die das Erfassungsgerät 12 drahtlos mit dem Rechner 17 verbunden ist.
Auch die beiden Tracking-Kameras 16 sind drahtlos oder über eine Datenleitung mit dem Rechner 16 verbunden.
Alternativ kann das Erfassungsgerät an einen Industrieroboter 50 angekuppelt werden, insbesondere an einen mobilen Industrieroboter 50 bzw. an einen beweglichen Teil des Manipulators des Industrieroboters.
Im Betrieb kann mit dem mobilen Erfassungsgerät 12 ein stillstehendes Objekt dreidimensional erfasst werden, indem eine Person oder ein Industrieroboter das Erfassungsgerät 12 um das besagte Objekt herumführt. Die 3D-Sensoren des Erfassungsgerätes 12 erfassen dabei gleichzeitig Raumkoordinaten der Oberfläche des Objektes in Bezug auf das Erfassungsgerät 12. Gleichzeitig erfasst die Tracking-Vorrichtung 14 die Position und Lage des Erfassungsgerätes 12 im Raum.
Die von den 3D-Sensoren erfassten Daten des Objektes werden taktweise ermittelt. Hierzu wird von einem Taktgenerator in dem Rechner 17 ein Taktsignal generiert und zusammen mit einem Zeitstempel ausgestattet, das sowohl an das Erfassungsgerät 12 als auch an die Tracking-Kameras 16 gesendet wird. Durch das Taktsignal wird einerseits eine Messsequenz aller Sensoren und Kameras des Erfassungsgerätes 12 und der Tracking-Vorrichtung 14 ausgelöst und gleichzeitig die hierbei ermittelten Erfassungsdaten der 3D-Sensoren des Erfassungsgerätes 12 und der Tracking-Kameras 16 mit einem Zeitstempel versehen, der den genauen Zeitpunkt der Ermittlung der erfassten Erfassungsdaten angibt. Das Taktsignal kann ein sogenanntes "composite video signal" variabler Frequenz sein.
Mit der Nutzung eines Taktsignales ist es möglich, die gesamte Datenaufnahme zu synchronisieren und deterministische Phasenbeziehungen zwischen den 3D-Sensoren herzustellen. Durch die Zuordnung von Zeitstempeln zu den Erfassungsdaten können diese eindeutig einem Aufnahmezeitpunkt zugeordnet werden und können schließlich on- oder offline fusioniert werden.
Durch die Auswertung der Erfassungsdaten mehrerer 3D-Sensoren wird ein größerer Messbereich abgedeckt, eine genauere dreidimensionaler Erfassung des Objektes realisiert und eine höhere Redundanz zur Vermeidung von Fehlern realisiert.
Mit den 2D-Kameras 28 kann ferner auch die Textur des Objektes, beispielsweise seine Farbe, aufgenommen und mit den dreidimensionalen Erfassungsdaten des Objektes fusioniert werden.

Claims

3D-Vermessungsanordnung (10) zur dreidimensionalen Erfassung eines Objektes, mit einem mobilen Erfassungsgerät (12) mit mindestens einem 3D-Sensor zur dreidimensionalen Erfassung des Objektes in Bezug auf das Erfassungsgerät (12), einer Tracking-Vorrichtung (14) zur Erfassung der Position und Lage des Erfassungsgerätes (12) im Raum, und einem Rechner (17), der mit dem Erfassungsgerät (12) und der Tracking-Vorrichtung (14) verbunden ist und aus Erfassungsdaten des Erfassungsgerätes (12) und der Tracking-Vorrichtung (14) eine dreidimensionale Beschreibung des Objektes generiert.
3D-Vermessungsanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungsgerät (12) mindestens zwei verschiedenartige 3D-Sensoren aufweist.
3D-Vermessungsanordnung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der 3D-Sensor von einer Stereokamera (26), einem Laserscanner (30) oder einem Lichtschnittsensor (32) gebildet wird.
3D-Vermessungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tracking-Vorrichtung (14) aus zwei ortsfesten Tracking-Kameras (16) und mindestens zwei Markern (18) an dem Erfassungsgerät (12) gebildet wird.
3D-Vermessungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die 3D-Sensoren und die Tracking- Vorrichtung (14) durch ein durch einen Taktgenerator in dem Rechner (17) generiertes Taktsignal synchronisiert werden.
3D-Vermessungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsdaten der 3D-Sensoren und der Tracking-Vorrichtung (14) mit einem Zeitstempel versehen werden.
3D-Vermessungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner (17) die Erfassungsdaten mehrerer 3D-Sensoren auswertet.