DE60010714T2 - Verfahren zum Betreiben eines Laserscanners - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Laserscansystem und konkreter auf ein Verfahren zum Betreiben eines 3D-Autoscanning-LIDAR-Systems.
  • 2. Beschreibung der verwandten Technik
  • Es ist oft wünschenswert, Computermodelle grosser physischer Strukturen wie einer Ölraffinerie zu haben. Computermodelle erleichtern das Verständnis der Struktur, was in vielerlei Hinsicht nützlich ist. Eine Methode, diese Computermodelle zu konstruieren, besteht in der Verwendung eines Laserscansystems wie des Systems, das in der US-Patentschrift US-A-6 246 468 beschrieben ist, die eine Fortsetzung der WO 97/40342 ist.
  • Zu diesem System gehört eine kombiniertes System aus Laserscanner und PC-Software, das grosse Strukturen und Standorte mit hoher Geschwindigkeit, hoher Genauigkeit und über einen grossen Bereich misst, visualisiert und modelliert. Im Gebrauch wird die Vorrichtung auf den Schauplatz gerichtet, und der Benutzer wählt das gewünschte Messgebiet und den gewünschten Abstand der Messpunkte. Eine genaue 3-D-Geometrie der freiliegenden Oberflächen wird in Gestalt einer dichten, genauen dreidimensionalen Punktwolke fernregistriert.
  • Zum System gehört ein gepulster, passiv güte-geschalteter Laser. Unter Verwendung von rechner-gesteuerten Scanning-Mirrors vom Galvo-Typ wird das Ziel mit dem Laserstrahl abgetastet. Zum System gehört ein Videomonitor zum Festhalten des Schauplatzes und seiner Darstellung auf einem Computer wie zum Beispiel einem Laptop. Unter Verwendung dieses Videobildes kann der Betreiber das mit dem Laser abzutastende Gebiet auswählen.
  • Die Galvo-Spiegel führen den Laserstrahl durch wiederholte senkrechte Scans und bewegen ihn nach jedem senkrechten Scan waagerecht. Genaue Positionsdaten des Ziels können berechnet werden, indem die Flugzeit jedes Laserpulses von der Vorrichtung nach draussen und zurück in die Vorrichtung genau verfolgt wird.
  • Jeder Messpunkt in der Punktwolke hat seine zugehörige 3-D-Information. Die System-Software kann die Punktwolke für den Benutzer anzeigen. Wie hierunter ausführlicher erörtert wird, kann die Punktwolke verwendet werden, um eine Reihe von Prozeduren direkt auszuführen. Ausserdem kann das System die Punktwolken zu Drahtgittern, 3-D-Modellen und 2-D-Zeichnungen zum Exportieren zu beliebten CAD-(computer-aided design: rechner-gestütztes Entwerfen) Darstellungen oder anderer Software verarbeiten.
  • In der US-A-6 246 468 wurden einige grundlegende, aus dem Leben gegriffene Beispiele erörtert. Zum Beispiel wurde vorgeschlagen, dass das System benutzt werden könne, um ein dreidimensionales Bild eines Bauplatzes oder eines Gebäudes zu erstellen. Diese 3-D-Daten könnten direkt visualisiert oder verwendet werden, um CAD-Zeichnungen zu erzeugen.
  • Wegen der hohen Geschwindigkeit und Genauigkeit des Systems sind weitere Anwendungen entwickelt worden, die von diesen Merkmalen grossen Vorteil ziehen können. Diese Patentanmeldung soll ein weiteres Konzept beschreiben.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zum Betreiben eines Laserscanners. Das Verfahren umfasst den Schritt, einen Standort mit einem Laserscanner zu scannen, um eine Anzahl von Scanpunkten zu gewinnen, die eine erste Struktur definieren. Das Verfahren umfasst weiter die Schritte, eine zweite Struktur zu scannen, die dazu errichtet wird, um mit der ersten Struktur zur Deckung gebracht zu werden, eine Anzahl von Deckungspunkten zu gewinnen und die Scanpunkte mit den Deckungspunkten zu vergleichen, um festzustellen, ob sich die zweite Struktur mit der ersten Struktur zur Deckung bringen lässt.
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung beginnt das Verfahren mit dem Schritt, einen Standort mit dem Laserscanner zu scannen, um eine Anzahl von Scanpunkten zu gewinnen, die eine Öffnung in einer Struktur definieren. Zum Verfahren gehören zusätzlich die Schritte, ein in die Struktur einzubringendes Objekt zu scannen, um eine Anzahl von Objektpunkten zu gewinnen, und die Scanpunkte mit den Objektpunkten zu vergleichen, um festzustellen, ob das Objekt durch die Öffnung bewegt werden kann, um in der Struktur aufgestellt zu werden.
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung schliesst das Verfahren den Schritt ein, einen Standort mit dem Laserscanner vorzuscannen, um eine Geländeübersicht zu erstellen, die eine Anzahl von Prescanpunkten besitzt. Das Verfahren enthält weiter den Schritt, eine Zeichnung einer Struktur zu erstellen, die eine Anzahl von definierten Punkten besitzt, die in ihrer Position auf die Prescanpunkte in der Geländeübersicht bezogen sind. [0012] Ein besseres Verständnis der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wird durch Bezugnahme auf die folgende eingehende Beschreibung und beigefügten Zeichnungen erhalten, die eine veranschaulichende Ausführungsform vorstellen, in der die Prinzipien der Erfindung genutzt werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Ablaufdiagramm 100, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein Beispiel des Betriebs eines Laserscanners veranschaulicht, um Bauplanung und -überwachung zu erleichtern.
  • 2 ist ein Ablaufdiagramm 200, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein Beispiel des Betriebs eines Laserscanners mit konstruierten Teilen veranschaulicht.
  • 3 ist ein Ablaufdiagramm 300, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein Beispiel des Betriebs eines Laserscanners bei einer Umsetzbarkeitsanalyse veranschaulicht.
  • EINGEHENDE BESCHREIBUNG
  • Der designierte Inhaber der vorliegenden Anmeldung hat ein integriertes 3-D-Abbildungs- und -Modelliersystem entwickelt, das unter dem Warenzeichen CYRAX vertrieben wird. Dieses System wird eingehend in der WO 97/40342 beschrieben, die am 30. Oktober 1997 offengelegt wurde.
  • Das Cyrax-Gerät oder ähnliche Geräte (d.h. jedes System zur Ferngewinnung einer Punktwolke) kann auf vielen Stufen des Konstruktionsprozesses einer Anlage verwendet werden. 1 zeigt ein Ablaufdiagramm 100, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein Beispiel des Betriebs eines Laserscanners veranschaulicht, um Bauplanung und -überwachung zu erleichtern.
  • Wie in Schritt 110 der 1 gezeigt, wird der Standort, sobald er ausgewählt worden ist, mit dem Laserscanner gescannt, um eine Geländeübersicht zu erstellen. Diese Information kann dann dem Architekten oder Ingenieur zur Verfügung gestellt werden, der in Schritt 112 auf der Basis der durch den Scanner gelieferten, hochgenauen Daten die Struktur plant und entwirft.
  • Der Architekt oder Ingenieur erstellt dann eine Entwurfszeichnung der Struktur, die eine Anzahl von definierten Punkten besitzt, die in ihrer Position auf die Scanpunkte in der Geländeübersicht bezogen sind. Nachdem der Architekt oder Ingenieur die Entwurfszeichnungen für die Struktur fertiggestellt hat, können die Zeichnungen unter Verwendung wohlbekannter Verfahren des CAD-Austauschs in das System heruntergeladen werden. Objekt für Objekt kann die geometrische Information von einem Format in ein anderes umgewandelt werden.
  • In einem sehr wichtigen Aspect dieser Offenbarung kann das System dabei helfen, die Schlüsselmerkmale in den Entwurfszeichnungen des Architekten auf dem aktuellen Baustandort auszulegen. Für diese Prozedur würde das System zum Standort zurückgebracht werden. Wie in Schritt 114 gezeigt, wird der Standort mit dem Scanner erneut gescannt, um neue Scandaten zu gewinnen, die einer Anzahl der Scanpunkte entsprechen. Der Standort kann vollständig oder teilweise erneut gescannt werden. Zusätzlich können konkrete Ziele mit bekannten geometrischen Beziehungen zum neuen Entwurf ebenfalls erneut gescannt werden. Als Nächstes werden dann, wie in Schritt 116 gezeigt, die Daten der neuen Scans, die die Punktwolke oder die konkreten Ziele enthalten, mit den Architektenplänen, die in der Systemsoftware gespeichert sind, zur Deckung gebracht, um Deckungsdaten zu bilden.
  • Das Verfahren, die Punktwolke oder Ziele mit den Plänen zur Deckung zu bringen, ist im Fach wohlbekannt. Merkmale in den Scandaten, seien es Vermessungsfixpunkte, Ziele oder einfache Merkmale in einem Schauplatz (wie die Spitze an einer Ecke), werden mit bekannten Orten (im Koordinatensystem der Zeichnungen) abgeglichen, um die erforderliche Transformation zwischen den neuen Scandaten und den Zeichnungsdaten zu ermitteln. Die gefundene Transformation kann dann verwendet werden, um Orte in der Zeichnung auf wirkliche Orte abzubilden, die durch den Scanner identifiziert werden können.
  • Wie in Schritt 118 gezeigt, werden Orte von Interesse mit Hilfe der zur Deckung gebrachten Daten identifiziert, nachdem die Aufzeichnung vollständig ist. Zum Beispiel kann ein Betreiber einen Ort von Interesse wie eine Ecke in einer Wand auf den Plänen auf dem Bildschirm des Scanners hervorheben. Als Nächstes kann das System, wie in Schritt 120 gezeigt, den genauen Ort auf dem Gelände beleuchten, wo die Ecke des Gebäudes stehen soll, indem der sichtbare Laserstrahl des Scanners als Marker benutzt wird.
  • Der Betreiber kann dann damit beginnen, konkrete Orte auf dem Standort abzustecken, wo bauliche und andere Merkmale aus den Plänen des Architekten hinkommen sollen. Man bemerke, dass es sich durch diese Scan- und Zielprozedur erübrigt, dass Vermesser von Hand festlegen, wo ein Merkmal aus den Plänen platziert werden sollte, und dann diese Information auf dem Standort von Hand vermessen.
  • Die Zielfunktion des Lasers kann benutzt werden, um alle Schlüsselmerkmale aus den Plänen sowohl vor als auch während der Konstruktion auf dem aktuellen Standort nachzuzeichnen. Zum Beispiel kann der sichtbare Laser dazu verwendet werden, Zielorte wie Balken, Türen und Fenster anzupeilen. Die Stellen von Schraubenlöchern könnten markiert werden.
  • In vorhandenen (oder im Bau befindlichen) Strukturen, wo eine Wand oder ein Balken durchbrochen werden muss, kann die folgende Prozedur angewendet werden. Da der Laser durch Scanning-Mirrors gesteuert wird, ist er nicht darauf begrenzt, einen einzelnen Punkt zu beleuchten. Der Laser kann vielmehr geometrische Formen wie Linien, Rechtecke oder Kreise zeichnen, wo Türen oder Fenster anzubringen sein könnten.
  • Zusätzlich kann eine aktive oder passive Vorrichtung in Verbindung mit dem Lasersystem verwendet werden, um Punkte von Interesse zu identifizieren, die sich im leeren, offenen Raum befinden. Die aktive Vorrichtung würde von einem Betreiber getragen, der sie in den Pfad des sichtbaren Strahls bringt und mit ihr den Strahl entlang geht, bis die genaue Entfernung (d.h. die Raumposition des gegebenen Punktes) erreicht ist, wobei dann die Vorrichtung dem Betreiber ein hör- oder sichtbares Signal gibt, anzuhalten und eine Stange oder einen Marker an diesem Raumpunkt anzubringen.
  • Die passive Vorrichtung würde in ähnlicher Weise verwendet, ausser dass die Meldung, dass die erwünschte Position erreicht ist, statt durch das Ziel durch das System selbst gegeben wird. Dies wird zum Beispiel dadurch erreicht, dass das passive Ziel den Laserstrahl ununterbrochen zurückreflektiert, und diese Antworten werden durch das System mit der richtigen Entfernung verglichen. Ein Signal wird gegeben, wenn die Antwortentfernung der richtigen Entfernung des erwünschten Punktes gleicht.
  • Nach Beginn der Bauarbeiten kann das System verwendet werden, um den Standort periodisch neu zu scannen. Wie in Schritt 118 der 1 gezeigt, wird der Standort mit dem Laserscanner erneut gescannt, um eine Anzahl neuer Scanpunkte zu erhalten, die einer Anzahl der Scanpunkte und einer Anzahl der definierten Punkte entsprechen. In Schritt 120 werden dann die neuen Scanpunkte mit den entsprechenden definierten Punkten verglichen.
  • Diese Information kann dann verwendet werden, um den Baufortschritt zu verfolgen, indem der neue Scan mit dem Entwurfsmodell verglichen wird, um die Menge und Prozentzahl der fertigen Arbeit zu bestimmen. Ausserdem kann die Anzahl von Objekten berechnet und berichtet werden, die seit Beginn der Bauarbeiten und/oder seit dem letzten Scan aufgestellt worden sind.
  • Zusätzlich und mit noch grösserer Wichtigkeit können die gescannten Daten mit den gespeicherten Entwurfsplänen verglichen werden, um festzustellen, ob Abweichungen vorliegen. Von gleicher Wichtigkeit ist es, die Übereinstimmung von Teilen zu messen, um festzustellen, ob gefertigte Teile (gewöhnlich an entfernten Orten gefertigt) zu den ihnen bestimmten Auflager- und Einbindepunkten passen, wenn sie am Standort abgeliefert werden.
  • Dieser Prozess wird ausgeführt, indem Scans solcher hergestellter Teile mit der gespeicherten Auslegung der Auflager-/Einbindepunkte oder, falls die Auflager-/Einbindepunkte bereits gebaut wurden, mit den Scans solcher gebauter Objekte verglichen werden. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm 200, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein Beispiel des Betriebs eines Laserscanners mit konstruierten Teilen veranschaulicht.
  • Wie in Schritt 210 der 2 gezeigt, wird ein Standort mit einem Laserscanner gescannt, um eine Anzahl von Scanpunkten zu gewinnen, die eine erste Struktur definieren, wobei die Scanpunkte ihrerseits eine Anzahl erster Deckungspunkte enthalten. Zu sätzlich wird in Schritt 212 eine zweite Struktur, die gebaut wurde, um zur ersten Struktur zu passen, gescannt, um eine Anzahl von zweiten Deckungspunkten zu gewinnen. In Schritt 214 werden dann die ersten Deckungspunkte mit den zweiten Deckungspunkten verglichen, um festzustellen, ob die zweite Struktur zur ersten Struktur passt.
  • Es ist bekannt, dass Konstruktionsfehler allein typischerweise für 8 bis 14 % der gesamten Projektkosten verantwortlich sind. Durch häufige Vermessung des Bauplatzes und Vergleich mit den Plänen oder gebauten Komponenten können Fehler während des gesamten Bauprozesses minimiert werden. Es sei bemerkt, dass das System Balkenkodes und andere, ähnliche Vorrichtungen ebenso wie Smart-Chips, die auf dem Objekt angebracht sind, in einem Scan nutzen kann, um das Objekt und darauf bezogene spezifische Daten zu identifizieren. Nach Fertigstellung der Anlage kann das Cyrax-System verwendet werden, um effektive Bauzustandszeichnungen zu erstellen. Diese Zeichnungen können im Laufe der Zeit aktualisiert werden, wenn verschiedenartige Modifikationen an der Anlage/an der Ausrüstung angebracht werden.
  • Das System wäre auch ziemlich nützlich bei Renovierungen und Auffrischungen. Zum Beispiel kann das System, wenn Arbeiten an einem bestimmten Merkmal wie dem Rohrleitungssystem einer Raffinerie ausgeführt werden müssen, das betreffende Gebiet scannen und das Rohrleitungssystem sowie Objekte in seiner Umgebung modellieren.
  • Das System kann verwendet werden, um die Rohrleitungen und andere, relevante Objekte im Gebiet (wie Rohrstützen, Gefässe usw.) zu modellieren, um unter anderem die Grössen, die Konfiguration und die Orte zu bestimmen. Versehen mit diesen Informationen sowie Informationen zu den erforderlichen Modifikationen kann der Konstrukteur das System verwenden, um den Entwurf zu ergänzen, indem er zum Modell diejenigen zusätzlichen Rohrleitungen, Komponenten und Strukturen hinzufügt, die erforderlich sind, sowie Rohrleitungen, Komponenten usw. wie erforderlich wegnimmt. Bei anderen Arten der Renovierung könnte eine Umsetzbarkeitsanalyse erforderlich werden.
  • Es könnte zum Beispiel nötig werden festzustellen, ob ein neues Ausrüstungsstück durch vorhandene Türen und Korridore an Ort und Stelle gebracht werden kann. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm 300, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein Beispiel des Betriebs eines Laserscanners bei einer Umsetzbarkeitsanalyse veranschaulicht.
  • Wie in Schritt 310 der 3 gezeigt, wird ein Standort mit einem Laserscanner gescannt, um eine Anzahl von Scanpunkten zu gewinnen, die eine Öffnung in einem Bau definieren. Ausserdem wird in Schritt 312 ein Objekt, das in den Bau hineingebracht werden soll, gescannt, um eine Anzahl von Objektpunkten zu gewinnen. In Schritt 314 werden die Scanpunkte mit den Objektpunkten verglichen, um festzustellen, ob das Objekt durch die Öffnung bewegt werden kann, um innerhalb des Baus aufgestellt zu werden. So kann man durch 3-D-Modellierung des Standorts und des neuen Ausrüstungsstücks mit der neuen Vorrichtung praktisch durch die baulichen Barrieren „wandern" und feststellen, ob sie hindurchpasst. In ähnlicher Weise kann, wenn ein Teil einer Wand herausgeschnitten und durch vorhandene Türen bewegt werden muss, die Vorrichtung dem Betreiber ermöglichen zu visualisieren, ob eine solche Bewegung machbar ist.
  • Wie in der oben identifizierten WO 97/40342 bemerkt, enthält das System hoch entwickelte Software, die in der Lage ist, die 3-D-Punktwolke in Zeichnungen vom CAD-Typ umzuwandeln. Im Betrieb kann die Punktwolke in realistische geometrische Figuren unterteilt werden. Diese geometrischen Figuren können dann einfacher in CAD-Modelle umgewandelt werden.
  • Die 3-D-Punktwolke kann auch direkt dazu verwendet werden, eine Anzahl von Prozeduren ohne Unterteilung in geometrische Formen auszuführen. In einigen Fällen kann die direkte Verwendung der Punktwolke vorteilhafter sein.
  • Es sollte beachtet werden, dass jeder Punkt in der Wolke seine zugehörigen Koordinaten besitzt. Die Entfernungen zwischen allen Punkten können direkt aus den Daten bestimmt werden. Diese Beziehungen erlauben es, viele der oben diskutierten Prozeduren direkt von der Punktwolke ausgehend auszuführen. Zum Beispiel kann der tägliche Baufortschritt verglichen werden, indem ein Satz von Punktwolken mit einem anderen Satz von Punktwolken verglichen wird. Die Daten in den Punktwolken sind sehr dicht und können daher zusätzliche Information liefern.
  • Das System kann Konturen und Querschnitte in Echtzeit aus der Punktwolke erzeugen. Es kann auch 2-D-Draufsichten, Aufrisse und Schnitte direkt und in Echtzeit aus der Punktwolke entwickeln. Zusätzlich zur Sammlung geometrischer Information über die gescannten Oberflächen sammelt das System auch Oberflächenintensitätsdaten. Diese Daten ermöglichen es, die Punktwolke dazu zu benutzen, um Oberflächen verschiedenen Reflexionsvermögens zu identifizieren und abzubilden, zum Beispiel rostende Flächen an Objektoberflächen oder mineralhaltige Fkächen auf Bergwerksoberflächen. Mit dieser Möglichkeit können auch plötzliche Änderungen in Oberflächennormalen wie die beiden Seiten eines Oberflächenrisses abgebildet und Makel (wie Rillen) in Materialien identifiziert werden.
  • Es sollte verstanden werden, dass verschiedene Alternativen zu den Ausführungsformen der hier beschriebenen Erfindung benutzt werden können, um die Erfindung umzusetzen. Daher ist beabsichtigt, dass die folgenden Ansprüche den Umfang der Erfindung definieren.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Laserscanners, das Verfahren die Schritte umfassend: einen Standort mit einem Laserscanner zu scannen, um eine Anzahl von Scanpunkten zu gewinnen, wobei die Scanpunkte eine erste Struktur definieren und eine Anzahl erster Deckungspunkte einschliessen; eine zweite Struktur zu scannen, die dazu errichtet wird, mit der ersten Struktur zur Deckung gebracht zu werden, um eine Anzahl zweiter Deckungspunkte zu gewinnen; und die ersten Deckungspunkte mit den zweiten Deckungspunkten zu vergleichen, um festzustellen, ob sich die zweite Struktur mit der ersten Struktur zur Deckung bringen lässt.
  2. Verfahren zum Betreiben eines Laserscanners, das Verfahren die Schritte umfassend: einen Standort mit dem Laserscanner zu scannen, um eine Anzahl von Scanpunkten zu gewinnen, wobei die Scanpunkte eine Öffnung in einer Struktur definieren; ein in die Struktur einzubringendes Objekt zu scannen, um eine Anzahl von Objektpunkten zu gewinnen; und die Scanpunkte mit den Objektpunkten zu vergleichen, um festzustellen, ob das Objekt durch die Öffnung bewegt werden kann, damit es in die Struktur eingebracht werden kann.
  3. Verfahren gemäss einem der voraufgehenden Ansprüche, das Verfahren weiter die voraufgehenden Schritte umfassend, einen Standort mit dem Laserscanner zu scannen, um eine Geländeübersicht zu erstellen, wobei die Geländeübersicht eine Anzahl von Prescanpunkten besitzt; und eine Zeichnung einer Standortstruktur zu erstellen, wobei die Zeichnung eine Anzahl von definierten Punkten besitzt, die in ihrer Position auf die Prescanpunkte in der Geländeübersicht bezogen sind.
  4. Verfahren gemäss Anspruch 2, das Verfahren weiter den Schritt umfassend, das Objekt in die Öffnung zu lenken.
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