ES2381350A1 - Telémetro 3d y procedimiento de obtención mediante cabeceo de un telémetro láser 2d alrededor de su centro óptico. - Google Patents
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Abstract
Telémetro láser 3D y procedimiento de obtención mediante cabeceo de un telémetro láser 2D alrededor de su centro óptico manteniendo su máximo campo de visión. El telémetro láser 2D (a) rota a velocidad constante mediante un servo-motor dotado de codificador angular situado en una base (f), que hace cabecear el telémetro láser 2D en torno a su centro óptico (c). Así se mantiene el mínimo rango de distancias del telémetro láser 2D, se evita la calibración de la distancia al centro de rotación y se reduce el tiempo de toma de medidas. La adquisición de distancias se realiza de forma sincronizada con los ángulos del eje del motor y de inclinación del aparato. Ello permite obtener las coordenadas Cartesianas, respecto de un sistema de referencia situado en el centro óptico y con uno de sus ejes alineado con la gravedad, de los rangos asociados a los puntos detectados.
Description
Telémetro 3D y procedimiento de obtención
mediante cabeceo de un telémetro láser 2D alrededor de su centro
óptico.
La presente invención se refiere al sector de
sensores de distancia industriales. Concretamente se puede encuadrar
dentro de los telémetros láser tridimensionales (3D) basados en
telémetros láser bidimensionales (2D).
Obtener datos tridimensionales (3D) resulta de
gran interés en diversos campos industriales, como la robótica o los
sistemas de producción. Una posibilidad es el empleo de telémetros
láser 3D como los usados habitualmente en topografía (por ejemplo
[1]). No obstante, estos sistemas presentan un elevado coste, peso y
lentitud de adquisición de datos. Una alternativa es usar telémetros
láser 2D comerciales servo-controlados para obtener
datos 3D (por ejemplo [2]).
Sin embargo, en estos sistemas obtenidos por
modificación de telémetros 2D, la rotación extra no está centrada en
el centro óptico del telémetro láser 2D, esto es, el centro del
espejo rotatorio del mismo (por ejemplo [3]). Esto ocasiona que
aumente la distancia mínima de detección del telémetro láser 3D, lo
que en ámbitos como la robótica puede ser un grave inconveniente, al
poder darse el caso de que no se detecten obstáculos cercanos al
robot. Además, se complica la obtención de las coordenadas
Cartesianas de los puntos láser, ya que aparece una distancia entre
el centro óptico y el de rotación que resulta necesario calibrar con
precisión. Este problema no aparecería si se usara el centro óptico
del sensor láser 2D como centro de rotación, ya que cada fabricante
tiene bien especificada su situación en sus aparatos. Existe algún
precedente de sistemas que hacen girar el láser 2D en torno al
centro óptico (por ejemplo [4]), pero el giro que aplican es de
alabeo. Este giro de alabeo conlleva una distribución de puntos en
el espacio menos útil que si el giro fuese de cabeceo, ya que quedan
menos cubiertas las áreas periféricas. Por este motivo, se hace
menos segura la rápida detección de móviles cercanos al aparato.
Además, la información obtenida ofrece una peor correspondencia con
la proporcionada por cámaras de vídeo. Estos problemas limitan su
utilización en varios campos, como por ejemplo la robótica móvil o
la detección de obstáculos.
Otra opción diferente es la adición al sensor
láser 2D de un espejo exterior servo-controlado
(por ejemplo [5]). Este tipo de sistemas, aunque más sencillos desde
el punto de vista mecánico, conllevan reducir el campo de visión del
barrido bidimensional, con lo que el sistema resultante queda
limitado. Además, también requiere la calibración de la distancia
del centro del espejo interno al externo.
[1] Zoller+Fröhlich Company (2010).
Technical data Z+F IMAGER 5006h,
http://www.zf-laser.com.
[2] O. Wulf y B. Wagner
(2003). Fast 3D Scanning Methods for Laser Measurement
Systems, Proc. International Conference on Control Systems and
Computer, Bucarest (Rumania), páginas
312-317.
[3] H. Surmann, K. Lingemann, A.
Nüchter y J. Hertzberg (2001). A 3D laser range
finder for autonomous mobile robots, Proc. of the 32th
International Symposium on Robotics, páginas
153-158, Seúl (Corea del Sur).
[4] M. Walther, P. Steinhaus y R.
Dillmann (2006). A foveal 3D laser scanner integrating
texture into range data, Proc. 9th International Conference on
Intelligent Autonomous Systems, Tokio (Japón).
[5] J. Ryde y H. Hu (2008).
3D Laser Range Scanner with Hemispherical Field of Yiew for Robot
Navigation, Proc. of the IEEE/ASME International Conference on
Advanced Intelligent Mechatronics, Xian (China).
La presente invención consiste en un telémetro
láser 3D y en el procedimiento de obtención mediante cabeceo de un
telémetro láser 2D alrededor de su centro óptico manteniendo su
máximo campo de visión. El aparato comprende un sistema mecánico, un
sistema actuador y un sistema de comunicaciones.
El sistema mecánico permite realizar giros a
velocidad constante alrededor del centro óptico del telémetro láser
2D manteniendo el máximo campo de visión de este último. El sistema
actuador permite hacer giros de cabeceo rápidos mediante un
servo-motor que cuenta con un codificador angular.
El sistema de comunicaciones recibe, a través de un puerto serie,
comandos de una computadora, y le envía puntos en coordenadas
Cartesianas respecto del centro del aparato de cada uno de los
rangos medidos. Para ello, coordina la adquisición de distancias del
telémetro láser 2D de forma sincronizada con los ángulos de
inclinación del aparato y del eje del motor.
Al girar alrededor del centro óptico del
telémetro láser 2D se consigue mantener el mínimo rango de
distancias del telémetro láser 2D, y se evita la calibración de la
distancia al centro de rotación. Asimismo, al no precisar de
calibración, el telémetro 3D obtenido a partir de un telémetro láser
2D comercial obtiene una precisión equivalente a éste, al tiempo que
tiene un coste reducido.
En los dibujos adjuntos se muestra una
realización preferida del telémetro 3D objeto de la invención,
constituido de acuerdo con la invención y dado a título de ejemplo
no limitativo.
Figura 1: Esquema general del telémetro láser 3D
en vista lateral. Se puede observar el telémetro 2D (a), con su
plano de medidas (b) y su centro óptico (c); la guía circular rígida
(d) y los patines (e) situados en la base (f). La guía cuenta con
unos canales de rodadura (g). La base contiene también el sistema
actuador (a excepción de la correa de tracción) y el sistema de
comunicaciones.
Figura 2: Esquema general del telémetro láser 3D
en vista frontal. Se puede observar el telémetro 2D (a), con su
plano de medidas (b) y su centro óptico (c); la guía circular (d) y
los patines (e) situados en la base (f).
Figura 3: Esquema general del sistema actuador.
Se pueden observar el motor de corriente continua (g), con
codificador angular (h) y reductora (i) con polea dentada (k),
correa de tracción (j) engranada en una polea dentada (k) y dos
poleas locas (l).
A continuación se describe un ejemplo de
realización de la invención de carácter no limitativo.
El sistema mecánico (figura 1) permite mover un
telémetro 2D (a), con un plano de medidas (b), en torno a su centro
óptico (c). Consta de una guía circular rígida (d) y dos patines
(e), sólo uno de ellos visible en la vista de perfil, situados en la
base (f) del sensor a ambos lados de la guía circular rígida (d).
Los patines (e) permiten el movimiento de la guía circular rígida
(d) mediante recirculación interna de bolas. Para las bolas, la guía
circular rígida (d) posee cuatro canales de rodadura (g). Sobre esta
guía circular rígida (d) se sitúa el telémetro láser 2D (a). El
centro óptico (c) del telémetro láser 2D (a) se hace coincidir con
el centro de cabeceo, por lo que, de esta forma, también es el
centro del telémetro láser 3D. La guía circular rígida (d) es
preferiblemente estrecha para mantener el máximo campo de visión del
telémetro láser 2D (a).
En una vista frontal del sistema mecánico
(figura 2) se muestran varios de los elementos anteriores. Puede
apreciarse el telémetro 2D (a), junto con su plano de medidas (b) y
su centro óptico (c). También puede verse la guía circular rígida
(d) y los patines (e). Por último, todo el conjunto se apoya sobre
la base (f).
El sistema actuador (figura 3) proporciona el
giro de cabeceo al telémetro láser 2D (a). Este sistema consta de
motor de corriente continua (g) dotado de codificador angular (h)
acoplado a un extremo de su eje y de una reductora (i) con polea
dentada (k) en el otro, una correa de tracción (j) engranada en una
polea dentada (k) y dos poleas locas (l). Por último, completa el
sistema la electrónica de control, que no se muestra en la figura,
pero que permite que el sistema actuador rote el telémetro láser 2D
(a) a una velocidad constante. También cuenta con dos inclinómetros
alineados con los ejes longitudinal y transversal del aparato, para
la obtención de las coordenadas Cartesianas. En el borde exterior de
la guía circular rígida (d) hay un canal con la misma sección que la
de la correa dentada. Las poleas locas (l) dirigen la correa de
tracción (j) hacia la polea dentada (k). Tanto las poleas locas (l)
como la polea dentada (k) disponen de lengüetas para evitar el
descarrilamiento de la correa de tracción (j). Todos estos
elementos, salvo la guía circular rígida (d), se encuentran en la
base (f) del aparato, junto con el sistema de comunicaciones y la
electrónica de control.
El sistema de comunicaciones consta de un puerto
serie USB mediante el cual acepta comandos de configuración del
aparato (como por ejemplo velocidades de movimiento, que modifican
el barrido del telémetro 3D resultante), y transmite coordenadas
Cartesianas tridimensionales (respecto del centro del aparato) de
los rangos medidos. Para coordinar el funcionamiento del aparato,
este sistema realiza tareas de interfaz con el telémetro láser 2D
(a) y con la electrónica de control del sistema actuador, de manera
que la adquisición de rangos del telémetro láser 2D (a) está
sincronizada con los ángulos del eje del motor y de inclinación del
aparato.
La presente invención se puede aplicar en
sectores tales como la robótica o en sistemas de producción donde
resulte necesario obtener una descripción tridimensional de la
escena de trabajo de forma rápida, precisa y a un coste
reducido.
Claims (13)
1. Procedimiento de obtención de un telémetro
láser 3D mediante cabeceo de un telémetro láser 2D
caracterizado porque comprende:
- a.
- Girar a velocidad constante un telémetro láser 2D alrededor de su centro óptico, manteniendo el máximo campo de visión del telémetro láser 2D sin requerir calibración de la distancia al centro de rotación;
- b.
- Realizar giros de cabeceo rápidos del telémetro láser 2D, haciendo coincidir el centro óptico del mismo con el centro de cabeceo; y
- c.
- Coordinar la adquisición de distancias del telémetro láser 2D de forma sincronizada con los ángulos de inclinación del aparato y del eje del motor.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Procedimiento de obtención de un telémetro
láser 3D mediante cabeceo de un telémetro láser 2D según la
reivindicación anterior caracterizado porque el giro a
velocidad constante un telémetro láser 2D alrededor de su centro
óptico se regula mediante una electrónica de control, y se realiza a
través de una guía circular rígida mediante al menos dos patines
situados en la base del sensor a ambos lados de la guía.
3. Procedimiento de obtención de un telémetro
láser 3D mediante cabeceo de un telémetro láser 2D según la
reivindicación anterior caracterizado porque los patines
soportan el movimiento de la guía circular rígida mediante
recirculación interna de bolas.
4. Procedimiento de obtención de un telémetro
láser 3D mediante cabeceo de un telémetro láser 2D según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque los
giros de cabeceo rápidos se realizan mediante un
servo-motor dotado de un codificador angular.
5. Procedimiento de obtención de un telémetro
láser 3D mediante cabeceo de un telémetro láser 2D según la
reivindicación anterior caracterizado porque el
servo-motor mueve una correa de tracción engranada
en una polea dentada y en dos poleas locas que dirigen la correa de
tracción hacia la polea dentada, regulándose el movimiento de dicha
polea dentada mediante una reductora.
6. Procedimiento de obtención de un telémetro
láser 3D mediante cabeceo de un telémetro láser 2D según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque las
coordenadas Cartesianas se obtienen gracias a dos inclinómetros
alineados con los ejes longitudinal y transversal del telémetro
láser 2D.
7. Telémetro láser 3D obtenido mediante cabeceo
de un telémetro láser 2D caracterizado porque comprende:
- a.
- Sistema mecánico que mediante una electrónica de control realiza giros a velocidad constante alrededor del centro óptico (c) de un telémetro láser 2D (a) manteniendo el máximo campo de visión de este último y sin requerir calibración de la distancia al centro de rotación;
- b.
- Sistema actuador que realiza giros de cabeceo rápidos del telémetro láser 2D (a); y
- c.
- Sistema de comunicaciones que recibe comandos de una computadora, y envía a dicha computadora puntos en coordenadas Cartesianas respecto del centro óptico (c) del telémetro láser 2D (a) de cada uno de los rangos medidos.
\vskip1.000000\baselineskip
8. Telémetro láser 3D según la reivindicación
anterior caracterizado porque el sistema mecánico mueve un
telémetro láser 2D (a), con un plano de medidas (b), en torno a su
centro óptico (c) a través de una guía circular rígida (d) mediante
al menos dos patines (e) situados en la base del sensor (f) a ambos
lados de la guía.
9. Telémetro láser 3D según la reivindicación
anterior caracterizado porque los patines (e) soportan el
movimiento de la guía circular rígida (d) mediante recirculación
interna de bolas, comprendiendo la guía circular rígida (d) al menos
cuatro canales de rodadura (g).
10. Telémetro láser 3D según cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 9 caracterizado porque el sistema
actuador gestiona la realización de giros de cabeceo rápidos
mediante un servo-motor (g) dotado de un
codificador angular (h).
11. Telémetro láser 3D según la reivindicación
anterior caracterizado porque:
- a.
- El servo-motor (g) es de corriente continua y está acoplado, por los extremos de su eje, por un lado al codificador angular (h) y por otro lado a una reductora (i) de una polea dentada (k);
- b.
- Comprende una correa de tracción (j) engranada en la polea dentada (k) y en dos poleas locas (l).
\vskip1.000000\baselineskip
12. Telémetro láser 3D según la reivindicación
anterior caracterizado porque las poleas locas (l) dirigen la correa
de tracción (j) hacia la polea dentada (k), y tanto las poleas locas
(l) como la polea dentada (k) disponen de lengüetas para evitar el
descarrilamiento de la correa de tracción (j).
13. Telémetro láser 3D según cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 12 caracterizado porque la obtención de
las coordenadas Cartesianas se realiza gracias a dos inclinómetros
alineados con los ejes longitudinal y transversal del telémetro
láser 2D (a).
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- 2010-10-29 ES ES201001410A patent/ES2381350B2/es active Active
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FG2A | Definitive protection |
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