DE202010013825U1

DE202010013825U1 - Tragbare 3D Messvorrichtung

Info

Publication number: DE202010013825U1
Application number: DE202010013825U
Authority: DE
Original assignee: V & R Vision & Robotics GmbH; V&r Vision & Robotics GmbH
Current assignee: V & R Vision & Robotics GmbH; V&r Vision & Robotics GmbH
Priority date: 2010-10-04
Filing date: 2010-10-04
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2020-10-05

Abstract

Tragbare 3D Messvorrichtung (3)
mit einem ersten Antriebsmotor zur Drehung eines Spiegels, einem Sender für einen Laserstrahl, der auf den Spiegel wirkt und von diesem abgelenkt wird, einem Empfänger zur Aufnahme des Laserstrahls, einer Recheneinheit zur Auswertung der Messdaten, einer Energieversorgung, einem Gehäuse (3), in dem ein Gehäusefuß (8) drehbar gelagert ist, und einem zweiten Antriebsmotor, dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Energieversorgung, der erste und der zweite Antriebsmotor und die Recheneinheit im Gehäuse untergebracht sind,
b) dass der zweite Antriebsmotor die Drehung des Gehäuses um den Gehäusefuß bewirkt und
c) dass die Recheneinheit die Daten sofort auswertet.

Description

1.1 Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine tragbare 3D Messvorrichtung, im Folgenden V&R MappingCube 3D genannt. Die Vorrichtung vermisst einen Raum innerhalb weniger Sekunden. Durch Mehrfachmessungen an unterschiedlichen Orten entsteht eine dreidimensionale Punktwolke in wenigen Minuten. Die Ergebnisse sind unmittelbar nach der Messung verfügbar, werden visualisiert, können bearbeitet und weiterverarbeitet werden.
Das Messprinzip ist ein rotierender Laserscanner. Der Laserscanner selbst liefert eine Messung in einer einzigen Schnittebene (16). Die Rotation des Lasers wird durch den integrierten Rechner des V&R MappingCube 3D gesteuert, der sämtliche Messdaten online verarbeitet und nutzt. Zur Schätzung der Bewegung zwischen den Messungen und zur Ausrichtung der Einzelmessungen werden weitere Sensoren verwendet. Parallel zur Entfernungsmessung wird ein Farbbild aufgenommen. Die Bedienung des Geräts wird über ein mobiles Endgerät vorgenommen, an dem auch die Ergebnisdaten unmittelbar nach der Messung angezeigt werden.
1.2 Stand der Technik
Bekannte Ausführungen Vermessungssysteme mit rotierenden Laserscannern sind bekannt beispielsweise von der Firma Zoller und Fröhlich (Z+F). Das Messprinzip ist beschrieben in der Dissertation [9]. Im Patent [7] wird der Aufbau geschützt. Die Geometrie ist im Prinzip in [8] beschrieben. Die Kombination von 3D Messung mit Farbbildern auf einem rotierenden Lasersensor ist in [1] beschrieben.
Das Prinzip der Kartenerstellung in 3D beziehungsweise in 6D sowie die Selbstlokalisation in einer 6D Karte werden in [4] ausführlich wissenschaftlich beschrieben.
Der Stand der Technik bei der Registrierung von mehreren 3D Scans ist der so genannte ICP Algorithmus (Iterative Closest Point), der in zahlreichen Büchern beschrieben wird. Als Alternative ist der so genannte POSIT Algorithmus bekannt [2].
Mängel der bekannten Ausführungen Das oben genannte System führt Einzelmessungen durch, bei der der Scanner mit vorgegebener Schrittweite um eine Achse gedreht wird. Diese Eigenschaft wird beispielsweise in [1] betont. Wenn mehrere Messungen an verschiedenen Orten durchgeführt werden, so werden die Messdaten gespeichert und an einen Rechner übertragen, wo sie zu einem späteren Zeitpunkt zusammengeführt werden können. Sensor und Rechner sind also getrennt.
Fehlerhafte oder problematische Einzelmessungen sind nicht immer zu vermeiden. Solche Problemfälle werden erst beim Zusammenführen der Daten (der so genannten Registrierung) erkannt. Bei den genannten Systemen ist dann eine Korrektur oder Wiederholung der Aufnahme unmöglich oder nur mit erheblichem Aufwand durchzuführen. Die Registrierung wird bei den genannten Systemen interaktiv durch den Benutzer durchgeführt.
Messergebnisse sind während der Messung nicht unmittelbar visualisiert, sodass problematische Fälle nicht immer erkannt werden.
Die Systeme sind in der Regel mit GPS-Sensoren ausgestattet, die aber in Innenräumen keine brauchbaren Sensorwerte liefern. Dies erhöht den Registrierungsaufwand.
Insgesamt ist der Messaufwand zeitlich hoch, da nach der Messung die Registrierung teilweise manuell durchgeführt werden muss und erst dann die Daten interpretiert werden können.
1.3 Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein tragbare 3D Messvorrichtung zu schaffen, die ohne externe Energieversorgung betrieben werden kann und mit der Räume von verschiedenen Standorten aus schnell erfasst werden können, und deren Ergebnisse unmittelbar nach der Messung verfügbar sind und visualisiert werden.
Lösung der Aufgabe Gelöst wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
: eine perspektivische Darstellung der Messvorrichtung,
: eine Unteransicht auf den Drehteller,
: ein Schnitt durch das Gehäuse mit Darstellung des Messbereichs in einer Schnittebene, sowie
1.4 Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die Messvorrichtung (V&R MappingCube 3D) ist ein tragbares Gerät in annähernd Würfelform mit Ausmaßen von ca. 30 cm × 30 cm × 30 cm. Das Gehäuse in Form eines Würfel steht auf einem Gehäusefuß, der als Drehteller (8) ausgebildet ist. Im Inneren des Gehäuses (3) befinden sich

• ein Rechner,
• Kommunikationshardware,
• Motoren zum Antrieb,
• Stromquellen (wiederaufladbare Batterien), sowie
• Sensorik.

Als Sensoren werden eingesetzt

• GPS-Empfänger,
• Bewegungssensor,
• Lagesensor,
• Kompass,
• Kamera,
• Wärmesensor, sowie
• Laserscanner.

Die Messungen des Laserscanners (13) werden durch den offenen Austrittsschlitz (6) durchgeführt. Die Laserentfernungsmessung liefert Entfernungsdaten für einen Kreisausschnitt mit 270 Grad Öffnung. Das Zentrum dieses Kreises stimmt mit der Position des Lasersensors überein und liegt auf der Rotationsachse (7). Die Kamera blickt durch eine Öffnung (9); die oben genannten weiteren Sensoren (14) sind nicht sichtbar.
Der Rechner wird ebenso wie der Antriebsmotor über die Batterien (15) mit Strom versorgt. Schnittstellen (5) ermöglichen die Kommunikation mit dem Rechner über Kabel (USB), die Stromversorgung über externe Stromquelle und die Ladung der Akkus. Drahtlos kommuniziert der Rechner über ein (nicht dargestelltes) Funknetz (z. B. WLAN) und Funktastatur (für Entwicklungs- und Wartungsarbeiten, bei Bedarf). Die erforderliche Hardware ist ebenfalls im Gehäuse (3) integriert.
Der zweite Antriebsmotor (17) ist im Gehäuse angebracht und wird vom Rechner angesteuert. Er dreht das Gerät bei der Messung um die Rotationsachse (7), d. h. der Drehteller (8) ruht, während das Gehäuse (3) gedreht wird. Die Bedienknöpfe (1) und (2) ermöglichen einen Start der Messung direkt am Gerät. Der Monitor (4) visualisiert das Ergebnis unmittelbar und ermöglicht die Bedienung des Rechners.
Die normale Form der Bedienung findet über ein mobiles Endgerät (z. B. ein so genanntes Smartphone, (iPhone, iPad, iPod, Android, WindowsMobile etc.), (12)) statt, das eine Interaktion ermöglicht (z. B. über Tastatur (11) oder berührungssensitives Display (10)).
Durch Drücken des Startknopfes am mobilen Endgerät wird die Messung gestartet. Der V&R MappingCube 3D dreht sich um 180 Grad und zeichnet die Entfernungsdaten der Lasermessung auf. Es entsteht eine dreidimensionale Punktewolke derjenigen Objekte, die vom Rotationszentrum aus sichtbar sind und mit einem Laserentfernungsmesser erfasst werden können. Die Entfernungsmessungen werden auf dem integrierten Rechner sofort verarbeitet. Auf dem Display (10) werden die Ergebnisse unmittelbar nach der Messung angezeigt. Die Interaktion ermöglicht eine Navigation in 3D.
Der V&R MappingCube 3D kann nun an einen anderen Ort im Raum gestellt werden. Eine erneute Messung führt zu einer neuen Punktwolke, die vom Rechner sofort mit den bestehenden Punktwolken vereinigt wird (so genannte Registrierung der Daten). Der V&R MappingCube 3D ermittelt die relative Bewegung zwischen den Orten, an denen die Messungen durchgeführt wird, automatisch. Die Ergebnisse der registrierten Messdaten sind unmittelbar auch am mobilen Endgerät (10) sichtbar und können ggf. korrigiert, verworfen oder integriert werden.
Die Messvorrichtung (V&R MappingCube 3D) fusioniert Sensordaten, um die Eigenbewegung zwischen Mehrfachmessungen zu ermitteln. Im Außenbereich und bei genügender Signalstärke wird hier GPS verwendet. Das Gerät liefert auch in Innenräumen eine verlässliche Registrierung, falls die Überlappung der 3D Punktewolken ausreichend groß ist (ca. 1/3 der Punkte muss identifizierbar sein und in beiden Scans gemessen werden). Ob diese Bedingung erfüllt ist, kann der Benutzer wegen der unmittelbaren Visualisierung der Ergebnisse sofort überprüfen.
Die Steuerung der Drehung wird vom integrierten Rechner übernommen. Damit ist es möglich gezielte Messungen durchzuführen (im Sinne des so genannten „Aktiven Sehens” [3]).
Durch die Erfindung wurde eine kleine, tragbare Messvorrichtung geschaffen, die die Durchführung von Raumausmessung, die Interpretation der Daten und die sofortige Visualisierung der Ergebnisse bietet.
1.5 Literatur und Referenzen
Literatur

[1] Thomas Abmayr, Calibration and Registration Framework for Multisensor Panoramic Color Scanning, ISBN 978-3-8322-8830-3, Shaker Verlag, 2010
[2] Philip David, Daniel DeMenthon, Ramani Duraiswami and Hanan Samet, „SoftPOSIT: Simultaneous Pose and Correspondence Determination", International Journal of Computer Vision, 59, No. 3, September-October 2004, pp. 259–284.
[3] PAULUS, DIETRICH: Aktives Bildverstehen. Der Andere Verlag, Osnabrück, 2001
[4] NÜCHTER, A.: 3D Robotic Mapping. Springer Tracts in Advanced Robotics (STAR). Springer Verlag, 2009.
[5] NÜCHTER, A., JAN ELSEBERG, PETER SCHNEIDER und DIETRICH PAULUS: Study of Parameterizations for the Rigid Body Transformations of The Scan Registration Problem. Computer Vision and Image Understanding, 2010.
[6] NÜCHTER, ANDREAS, JAN ELSEBERG, PETER SCHNEIDER und DIETRICH PAULUS: Linearization of Rotations for Globally Consistent n-Scan Matching. In: Proceedings of the IEEE International Conference Robotics and Automation (ICRA '10), Seiten 1373–1379, Anchorage, Alaska, 2009.
[7] Laser measurement system, Erfinder: FROEHLICH CHRISTOPH; METTENLEITER MARKUS, ECLA: G01C15/00A; G01S17/89; US 2003043386 (A1) – 2003-03-06; US 7190465 (B2) – 2007-03-13 IPC: G01B11/03; G01B11/24; G01C15/00;
[8] Gauge for adjusting-, measuring- and/or tool clamping device, has radiation unit, and holding unit provided for coupling with adjusting-, measuring- and/or tool clamping device, and reflection unit for reflection of rays of radiation unit Erfinder: BUTTAU DIETER, Anmelder: ZOLLER GMBH & CO KG; ECLA: B23Q17/24; G01B11/27B; IPC: B23Q17/24; G01B11/27; B23Q17/24; Veröffentlichungsdaten: DE 102006036259 (A1) – 2008-02-07 Prioritätsdatum: 2006-08-03
[9] Fröhlich, Christoph Leopold; Aktive Erzeugung korrespondierender Tiefen- und Reflektivitätsbilder und ihre Nutzung zur Umgebungserfassung Dissertation Maschinenbau, Technische Universität München, 1996

Claims

Tragbare 3D Messvorrichtung (3) mit einem ersten Antriebsmotor zur Drehung eines Spiegels, einem Sender für einen Laserstrahl, der auf den Spiegel wirkt und von diesem abgelenkt wird, einem Empfänger zur Aufnahme des Laserstrahls, einer Recheneinheit zur Auswertung der Messdaten, einer Energieversorgung, einem Gehäuse (3), in dem ein Gehäusefuß (8) drehbar gelagert ist, und einem zweiten Antriebsmotor, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Energieversorgung, der erste und der zweite Antriebsmotor und die Recheneinheit im Gehäuse untergebracht sind, b) dass der zweite Antriebsmotor die Drehung des Gehäuses um den Gehäusefuß bewirkt und c) dass die Recheneinheit die Daten sofort auswertet.
Messvorrichtung mit einer Energieversorgung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie sowohl die beiden Antriebsmotoren, den Laser, das Empfangsgerät und die Recheneinheit mit Energie versorgt.
Messvorrichtung mit einem Gehäuse, einem Gehäusefuß und einem zweiten Antriebsmotor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Antriebsmotor eine Drehung des Gehäuses um den Gehäusefuß bewirkt.
Messvorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusefuß in Form eines Drehtellers ausgelegt ist.
Messvorrichtung mit einem Gehäusefuß gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusefuß mit einer rutschfesten Auflagefläche versehen ist.
Messvorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehung nicht auf einen maximalen Winkel beschränkt ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Lagesensor ausgestattet ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Beschleunigungssensor ausgestattet ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem (mechanischen oder elektronischen) Kompass ausgestattet ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem GPS-Empfänger (Global Positioning System) ausgestattet ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer oder mehreren Kameras versehen ist.
Messvorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse der Kamera und die Rotationsachse des Spiegels ko-axial verlaufen.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem oder mehreren Temperatursensoren ausgestattet ist.
Messvorrichtung vorigem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Temperatursensoren richtungsabhängig messen.
Messvorrichtung gemäß vorigem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die richtungsabhängigen Temperatursensoren als Wärmekamera ausgebildet sind.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse ein Monitor, vorzugsweise ein berührungssensitiver Monitor (Touchscreen), angebracht ist.
Messvorrichtung mit einer Energieversorgung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung auch die Kameras, Wärmesensoren, Lagesensor, GPS, Beschleunigungssensor, Kompass und den Monitor versorgt.
Messvorrichtung mit einer Recheneinheit gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie alle anfallenden Sensordaten verarbeitet.
Messvorrichtung mit einer Recheneinheit gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie die Ergebnisse der Verarbeitung bereitstellt.
Messvorrichtung mit einer Recheneinheit gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergebnisse dauerhaft im Gerät gespeichert werden.
Messvorrichtung mit einer Recheneinheit gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit mit einer Sende-/Empfangseinheit für Funk ausgestattet ist.
Messvorrichtung mit einer Recheneinheit gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie über ein handelsübliches Endgerät (Smartphone) die Messvorrichtung steuerbar ist.
Messvorrichtung mit einer Recheneinheit gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergebnisdarstellung bildlich auf einem Monitor erfolgt.
Messvorrichtung mit einer Recheneinheit gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie über den berührungssensitiven Monitor steuerbar ist.
Messvorrichtung mit einer Recheneinheit gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergebnisdarstellung bildlich auf dem mobilen Endgerät erfolgt.
Messvorrichtung mit einer Recheneinheit gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Punktewolke aus einer Messung an einem ersten Standort mit einer zweiten Punktewolke aus einer Messung an einem zweiten Standort verglichen wird und eine neue gemeinsame Punktewolke erzeugt wird.
Messvorrichtung mit einer Recheneinheit gemäß vorigem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Messorte der Punktewolken beziehungsweise deren relative Lage zueinander mittels des Lagesensors, GPS-Empfänger, oder Bewegungssensors beziehungsweise Kompass geschätzt werden.
Tragbare Messvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergebnisdaten ohne Schleifkontakte übertragen werden.