JP2012533749A - 周囲を光学的に走査および測定する装置 - Google Patents

Abstract

レーザスキャナ１０として設計される、周囲を光学的に走査および測定する装置であって、走査に対してレーザスキャナ１０の静止基準系を規定する中心Ｃ₁₀およびこの走査の中心Ｃ_iと、発光ビーム１８を放射する発光器１７と、レーザスキャナ１０の周囲の空間内で物体Ｏによって反射され、または他の形で散乱された受光ビーム２０を受け取る受光器２１と、走査の多数の測定点Ｘに対して、少なくとも中心Ｃ_iと物体Ｏの間の距離ｄを判定する制御および評価ユニット２２とを有し、異なる中心Ｃ₁、Ｃ₂、．．．を有するいくつかの走査で周辺空間を測定するレーザスキャナ１０が、中心Ｃ₁、Ｃ₂、．．．間を全体として動くことができるデバイスにおいて、異なる中心Ｃ₁、Ｃ₂、．．．間で全体としてレーザスキャナがたどる経路を位置合わせする光学デバイスとして、スキャナマウス３０が提供され、スキャナマウス３０は、レーザスキャナ１０に配置され、基準表面Ｇに対するレーザスキャナ全体の動きを光学的に測定する。

Description

本発明は、請求項１の意味するところを包括する装置に関する。

例えば、独国実用新案第２０２００６００５６４３号から周知のものなど、レーザスキャナとして設計されるデバイスを用いて、レーザスキャナの周囲を光学的に走査および測定することができる。異なる目標を用いていくつかの走査結果を互いにつなぎ合わせることによってより広い周辺空間が取り込まれる場合、対応する走査の中心は、グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）を用いて近似的に判定することができ、したがって走査範囲内の目標の場所をはっきりと特定して識別することができる。問題は、この方法が閉ざされたホール内では機能しないことである。

独国実用新案第２０２００６００５６４３号明細書

本発明は、前述の種類の装置を改善するという目的に基づく。この目的は、本発明によれば、請求項１の特徴を含む装置を用いて実現される。従属請求項は、有利な構成に関する。

レーザスキャナの位置は、走査のごとに変えられる。前の中心から新しい中心へレーザスキャナがたどる経路の代わりに、レーザスキャナの基準点の経路、例えば走査プロセスに対して基準点が静止している基線を考えることができる。本発明による装置は、この経路、すなわち前の中心と新しい中心の差分ベクトルを少なくとも近似的に追跡することを可能にする。次いで、この目的のために行われた走査は、より容易にともにつなぎ合わせる（位置合わせする）ことができる。それは、走査内に含まれる標的の場所をより容易に特定して識別でき、標的の位置は、たどった経路がわかれば十分に予測することができるためである。画像処理を用いると偏差を特定の値まで補正できるため、近似的な位置を認識していれば十分である。経路は、光学測定デバイスを用いて追跡されるが、他の測定方法およびデバイスを光学デバイス、例えば航法から周知のような慣性センサと組み合わせることもできる。「基準表面」という概念は、判定された３次元の物体の正確に規定された表面に限定されるものではなく、例えば水平線まで到達する領域をもつ周辺空間も、この概念の下に理解されるものとする。光学測定デバイス、例えばスキャナマウスは、基準表面に接触することができる。

レーザスキャナは、キャリッジを用いて容易に動かすことができる。レーザスキャナを自由に動かすこと、すなわちレーザスキャナを手動で前の中心から新しい中心へ移送することも可能である。レーザスキャナおよび／またはスキャナマウスの動きは、基準表面に対して任意の方向に生じる。すなわち、その動きが基準表面に対して平行成分および垂直成分を示すようにできる。スキャナマウスは、レーザスキャナと固定して接続されることが好ましく、例えばスキャナマウスは、レーザスキャナ上、キャリッジ上、またはスタンド上に取り付けることができる。

スキャナマウスは、光学コンピュータマウスの技術で設計されることが好ましく、すなわちレーザスキャナ全体としての動きを計測し、記録するために、スキャナマウスはオプティカルフローを判定する。スキャナマウスは、基準表面上へ光を放射する光源、例えばＬＥＤまたはレーザと、規則的な間隔で、照射された基準表面、特に基準表面の像からデータを取り込む空間分解能をもつセンサ、特にカメラと、取り込んだ像を互いに比較し、差分を用いて基準表面に対するスキャナマウスの動きを演算する演算ユニットとを備えることが好ましい。この目的のため、演算ユニットは、オプティカルフロー、すなわち画素の速度ベクトル場を判定することが好ましい。コンピュータ−マウス技術は、短い焦点距離に適応している。スキャナマウスは、より長い焦点距離を必要とする。したがって、スキャナマウスは、少なくとも１つの（またはいくつかの）（光学）素子（複数可）を備える。（光学）素子は、コンピュータ−マウスレンズに取って代わることが好ましい。スキャナマウスおよびその（光学）素子（複数可）は、レーザスキャナ上に取り付けることができる。最も簡単な場合、基準表面が十分に照らされる場合、スキャナマウスは、光源をもたずにセンサを備えることができる。そのデータの評価はまた、既存の評価ユニット内で行うことができる。

評価のため、具体的にはリンクのために、レーザスキャナおよびそのスキャナマウスのデータをともにつなぎ合わせなければならない。この目的のため、スキャナマウスは、走査中、具体的には連続して、または各走査後もしくはすべての走査後、例えば規定されたインターフェースをもつケーブルを用いて、または無線を用いて、制御および評価ユニットに接続することができる。しかし、例えば別個のコンピュータとすることができる外部の評価ユニット内で情景全体が位置合わせされた後、すなわちすべての走査が行われた後でなければ、評価のため、具体的にはリンクのために、データをともにつなぎ合わせることができない。初期同期は、リンクを容易にする。スキャナマウスのデータは、データメモリ内にも記憶することができ、スキャナマウスの代わりに、データメモリを評価ユニットに接続することができる。

レーザスキャナはいくつかのスキャナマウスを備えることができ、これらのスキャナマウスは、異なる方向に向けることができる。次いで、これらのスキャナマウス、具体的にはオプティカルフローのデータは、必要な場合さらなる測定デバイスのデータとともに、ともにつなぎ合わせて評価される。別法として、スキャナマウスは、全方向性カメラ（例えば魚眼）を備える。

本発明について、図面に示す例示的な実施形態に基づいて、より詳細に以下に説明する。

異なる位置に置かれたレーザスキャナを用いて得たいくつかの走査結果からなる周辺空間の位置合わせに関する概略図である。 キャリッジ上に取り付けられたスキャナマウスをもつレーザスキャナの概略図である。 スキャナマウスの非常に概略的な図である。 レーザスキャナの部分断面図である。 キャリッジの部分概略図である。

レーザスキャナ１０が、レーザスキャナ１０の周囲を光学的に走査および測定するデバイスとして提供される。レーザスキャナ１０は、測定ヘッド１２および基部１４を有する。測定ヘッド１２は、垂直軸周りに回転できるユニットとして、基部１４上に取り付けられる。測定ヘッド１２は鏡１６を有し、鏡１６は水平軸周りに回転することができる。２つの回転軸の交差点を、レーザスキャナ１０の中心Ｃ₁₀と呼ぶ。

測定ヘッド１２は、発光ビーム１８を放射する発光器１７をさらに備える。発光ビーム１８は、波長約３４０〜１６００ｎｍの可視域内、例えば７９０ｎｍのレーザビームであることが好ましいが、原則として、例えばより大きい波長を有する他の電磁波を使用することもできる。発光ビーム１８は、例えば正弦波または矩形波の波形変調信号によって振幅変調される。発光ビーム１８は発光器１７によって鏡１６上へ放射され、鏡１６で偏向されて周囲へ放射される。周囲の空間に位置する物体Ｏによって反射され、または他の形で散乱された受光ビーム２０は、鏡１６に入射し、偏向され、かつ受光器２１へ導かれる。発光ビーム１８および受光ビーム２０の方向は鏡１６および測定ヘッド１２の角度位置により定まり、これらの角度位置は対応する回転駆動装置の位置に依存し、回転駆動装置はそれぞれ１つのエンコーダによって位置決めされる。制御および評価ユニット２２は、測定ヘッド１２内の発光器１７および受光器２１に対しデータを授受可能に接続され、これによって制御および評価ユニット２２のいくつかの部分は、測定ヘッド１２の外部に構成することもでき、例えば基部１４に接続されたコンピュータとすることができる。制御および評価ユニット２２は、多数の測定点Ｘに対して、発光ビーム１８および受光ビーム２０の伝播時間から、レーザスキャナ１０と物体Ｏ（の照らされた点）の間の距離ｄを判定する。この目的のため、２つの光ビーム１８および２０間の位相シフトが判定および評価される。

走査は、鏡１６の（急速）回転を用いて円に沿って行われる。基部１４に対する測定ヘッド１２の（低速）回転によって、円に沿う走査を繰り返して空間全体がステップごとに走査される。そのような測定の測定点Ｘのエンティティを走査と呼ぶ。そのような走査では、レーザスキャナ１０の中心Ｃ₁₀は、レーザスキャナ１０の静止基準系を規定し、その中に基部１４が位置する。レーザスキャナ１０、特に測定ヘッド１２の設計に関するさらなる詳細は、例えば米国特許第７，４３０，０６８号および独国実用新案第２０２００６００５６４３号に記載されている。それぞれの開示を引用して援用する。

特定の周辺空間の走査は、レーザスキャナ１０の周囲を光学的に走査および測定することによって行われる。周辺空間は、多くのアンダーカット、くりぬかれた部分、陰の部分を伴う入り組んだフレーム構造または物体Ｏなど、１回の単一走査結果では周辺空間を記述することができない場合がある。このように１回の走査では対応できない場合に対処するため、レーザスキャナ１０は異なる位置に設置され、すなわちレーザスキャナ１０の中心Ｃ₁₀は異なる中心Ｃ_i（各走査に対してレーザスキャナ１０の中心Ｃ₁₀に対応する特定の中心Ｃ_i）を定め、走査および測定が繰り返され、すなわち各走査は、定められた中心Ｃ_iについて行われる。中心Ｃ_iごとに行われた走査の結果は、異なる視野角からであるが、常に同一の周辺空間を記述する。同一の周辺空間の個々の走査は、共通の座標系で記述されなければならない。これを、位置合わせ（視覚的位置合わせ）と呼ぶ。

走査が行われる前、いくつかの目標Ｔ₁、Ｔ₂、．．．、すなわち特殊な物体Ｏを周辺空間内に定位させることができる。次いでレーザスキャナ１０は位置を変えて数回設置され、すなわちその度に中心Ｃ_iが定められ、各位置において走査が行われる。次いで、異なる中心Ｃ₁、Ｃ₂を有するいくつかの走査結果によって、周辺空間全体が記述される。隣接する走査は重複しており、したがっていくつかの（好ましくは少なくとも３つの）目標Ｔ₁、Ｔ₂．．．が、それぞれ２つの隣接する走査結果によって位置合わせされる。球およびチェッカボード模様が特に適した（したがって好ましい）目標であることがわかっている。次いで、走査内で目標Ｔ₁、Ｔ₂、．．．の場所を特定して識別することができる。目標Ｔ₁、Ｔ₂、．．．を使用する代わりに、別の形で走査をともにつなぎ合わせることもできる。

本発明によれば、光学測定デバイスが提供される。以下、これをスキャナマウス３０と呼ぶ。スキャナマウス３０は、異なる中心Ｃ₁、Ｃ₂間でレーザスキャナ１０がたどる経路（差分ベクトル）を計測し、記録する。この目的のため、レーザスキャナ１０は、キャリッジ３２上に取り付けられる。例えばレーザスキャナ１０は、その基部１４において、キャリッジの取付けデバイス３２ａと接続される。レーザスキャナ１０に付随するスキャナマウスは、基準表面Ｇの方へ、好ましくは床の方へ向けられる。スキャナマウスは、基準表面Ｇに当接することもできる。スキャナマウス３０は、キャリッジ３２によって運ばれる。スキャナマウス３０は、キャリッジ３２上に、本実施形態では取付けデバイス３２ａのマウスキャリア３２ｂ上に（解放不能に）取り付けることができる。スキャナマウス３０はまた、レーザスキャナ１０の永久的な構成要素とすることができ、例えば基部１４上または測定ヘッド１２上に取り付けることができる。

本発明では、スキャナマウス３０は、光学コンピュータマウスの周知の技術で設計され、すなわちスキャナマウス３０は、基準表面Ｇ上へ光を放射する光源３０ａ、例えばＬＥＤまたはレーザと、照射された基準表面Ｇのデータ（すなわち像）を規則的な間隔で取り込むカメラとして設計されるセンサ３０ｂと、取り込んだ像を互いに比較し、差分を用いて基準表面Ｇに対するスキャナマウス３０の動きを演算する演算ユニット３０ｃとを備える。この目的のため、演算ユニット３０ｃは、取り込んだ像からオプティカルフローを判定する。これらの素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、共通のプリント回路基板上に取り付けられ、または共通のモジュール内に組み込まれることが好ましい。次いで、ケーブル３３を用いて（または無線を用いて）、スキャナマウス３０の演算された位置が制御および評価ユニット２２へ伝送され、スキャナマウス３０は、走査中、またはすべての走査が行われた後、制御および評価ユニット２２へ接続される。この目的のため、レーザスキャナ１０は、インターフェース３４（例えば、レーザスキャナの製造者によって規定されるＵＳＢ、ＰＳ／２、またはインターフェース）を備える。インターフェース３４は、基部１４上に設けられることが好ましく、基部１４内に物理的に組み込むことができる。制御および評価ユニット２２への接続に対する追加または別法として、スキャナマウス３０は、例えば演算ユニット３０ｃの一部としてデータメモリを備え、そこにスキャナマウス３０のデータが記憶される。スキャナマウス３０および／またはそのデータメモリはまた、具体的には周辺空間を位置合わせが完了した後、外部の評価デバイスに（後に）接続することができる。

光学コンピュータマウスの技術においては、コンピュータマウスと基準表面Ｇの間の距離が短いことが求められる。スキャナマウス３０がキャリッジ３２上に取り付けられるとき、スキャナマウス３０と床の距離は通常、光学コンピュータマウスの焦点距離には長すぎる。したがって、コンピュータマウスレンズの代わりに（またはそれに追加して）、スキャナマウス３０は、スキャナマウス３０の焦点距離を規定して基準表面Ｇの接写を提供する、レンズおよび／または光ファイバケーブルなど、少なくとも１つの光学素子３６、好ましくはいくつかの光学素子３６を備える。そのような光学素子３６は、スキャナマウス３０内に直接、基部１４内に、またはキャリッジ３２のマウスキャリア３２ｂ内に組み込まれることが好ましい。本実施形態では、キャリッジ３２は、３つのローラ３２ｄおよび３本の調整可能な支柱３２ｅをもつ３本のアーム付きのアンダーキャリッジ３２ｃと、アンダーキャリッジ３２ｃ上に取り付けられている三脚３２ｆとを備える。スキャナマウス３２および光学素子３６は、基部１４に隣接するキャリッジ３２のマウスキャリア３２ｂ上に取り付けられ、光学素子３６は、アンダーキャリッジ３２ｃの２本のアーム間で、床、すなわち基準表面Ｇに焦点が合っている。走査中、支柱３２ｅは床に接触する。キャリッジ３２が動く間、支柱３２ｅは引き込まれる。

異なる走査をピクチャ処理する間に目標Ｔ₁、Ｔ₂、．．．をはっきりと同期させるには、スキャナマウス３０が、レーザスキャナ１０がたどる経路、例えば経路の相対値を、経路の正確な絶対値を用いないで大まかに位置合わせするだけで十分である。キャリッジ３２の開始段階および減速段階は、考慮されないままでよい。この目的のため、これらの段階に相当するスキャナマウス３０のデータは、例えば加速度の閾値を用いて無視され、または平均化される。

キャリッジ３２上に取り付ける代わりに、基部１４はまた、スタンド上に取り付けることができる。このスタンドは、三脚として設計されることが好ましく、次いで手動で輸送される。基部１４上にすでに取り付けられていない限り、スキャナマウス３０をスタンドで同様に運ぶことができる。スキャナマウス３０は、例えば追加の光学素子３６とともにスタンド上に取り付けることができる。任意選択で、基部１４とスタンド（またはキャリッジ３２）の間に、例えば水平器および設置ねじをもつ水平化デバイスが設けられる。

１０ レーザスキャナ、１２ 測定ヘッド、１４ 基部、１６ 鏡、１７ 発光器、１８ 発光ビーム、２０ 受光ビーム、２１ 受光器、２２ 制御および評価ユニット、３０ スキャナマウス、３０ａ 光源、３０ｂ カメラ、３０ｃ 演算ユニット、３２ キャリッジ、３２ａ 取付けデバイス、３２ｂ マウスキャリア、３２ｃ アンダーキャリッジ、３２ｄ ローラ、３２ｅ 支柱、３２ｆ 三脚、３３ ケーブル、３４ インターフェース、３６ 光学素子、Ｃ₁₀ レーザスキャナの中心、Ｃ_i 走査の中心、ｄ 距離、Ｇ 基準表面、Ｏ 物体、Ｔ_i 目標、Ｘ 測定点。

Claims (15)

1. レーザスキャナ（１０）として設計される、周囲を光学的に走査および測定する装置であって、走査に対して前記レーザスキャナ（１０）の静止基準系を規定する中心（Ｃ₁₀）およびこの走査の中心（Ｃ_i）と、発光ビーム（１８）を放射する発光器（１７）と、前記レーザスキャナ（１０）の周囲で物体（Ｏ）によって反射され、または他の形で散乱された受光ビーム（２０）を受け取る受光器（２１）と、前記走査の多数の測定点（Ｘ）に対して、少なくとも前記中心（Ｃ_i）と前記物体（Ｏ）の間の距離（ｄ）を判定する制御および評価ユニット（２２）とを有し、いくつかの異なる中心（Ｃ₁、Ｃ₂、．．．）にて走査を行い、周辺空間を測定する前記レーザスキャナ（１０）全体が、前記異なる中心（Ｃ₁、Ｃ₂、．．．）間を動くことができ、前記異なる中心（Ｃ₁、Ｃ₂）間で前記レーザスキャナ（１０）全体がたどる経路を記録するための光学デバイスとして、スキャナマウス（３０）が提供され、前記スキャナマウス（３０）が、前記レーザスキャナ（１０）に配置され、基準表面（Ｇ）に対する前記レーザスキャナ（１０）全体の動きを光学的に取得し、記録することを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、前記レーザスキャナ（１０）が、基部（１４）と、前記基部（１４）に対して回転可能である測定ヘッド（１２）とを備え、特に前記スキャナマウス（３０）が、前記基部（１４）上または前記測定ヘッド（１２）上に取り付けられることを特徴とする装置。
3. 請求項１または２に記載の装置であって、前記レーザスキャナ（１０）がキャリッジ（３２）上に取り付けられ、前記レーザスキャナ（１０）が、前記キャリッジ（３２）を用いて、前記基準表面（Ｇ）に対して前記異なる中心（Ｃ₁、Ｃ₂、．．）間で動くことができることを特徴とする装置。
4. 請求項３に記載の装置であって、前記スキャナマウス（３０）が、前記キャリッジ（３２）上または前記レーザスキャナ（１０）上に取り付けられることを特徴とする装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置であって、前記スキャナマウス（３０）が、前記基準表面（Ｇ）へ向けられた少なくとも１つの光学素子（３６）を備えることを特徴とする装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置であって、異なる方向に向けられたいくつかのスキャナマウス（３０）または全方向性スキャナマウス（３０）が提供されることを特徴とする装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置であって、前記スキャナマウス（３０）が、前記レーザスキャナ（１０）の相対的な経路を、絶対値を用いないで記録するためのものであることを特徴とする装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置であって、前記スキャナマウス（３０）が、前記走査中または前記走査後に、ケーブル（３３）およびインターフェース（３４）を用いて、または無線を介して、前記制御および評価ユニット（２２）にまたは外部の評価ユニットに接続されることを特徴とする装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置であって、周辺空間全体が測定された後、前記スキャナマウス（３０）または前記スキャナマウス（３０）のデータメモリが、前記制御および評価ユニット（２２）にまたは外部の評価ユニットに接続されることを特徴とする装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置であって、前記レーザスキャナ（１０）全体の動きを記録するための前記スキャナマウス（３０）が、オプティカルフローを判定することを特徴とする装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置であって、前記スキャナマウス（３０）が、規則的な間隔で、前記基準表面（Ｇ）からのデータを検出するセンサ（３０ｂ）と、前記検出されたデータを互いに比較し、差分によって、具体的には前記オプティカルフローを判定することによって、前記基準表面（Ｇ）に対する前記スキャナマウス（３０）の動きを演算する演算ユニット（３０ｃ）とを備えることを特徴とする装置。
12. 請求項１１に記載の装置であって、前記スキャナマウス（３０）が、前記基準表面（Ｇ）上へ光を放射する光源（３０ａ）、例えばＬＥＤまたはレーザを備え、前記センサ（３０ｂ）が、前記照射された基準表面（Ｇ）の像を取り込むことを特徴とする装置。
13. 請求項１２に記載の装置であって、前記光源（３０ａ）、前記センサ（３０ｂ）、および前記演算ユニット（３０ｃ）が、共通のプリント基板上に取り付けられ、または共通のモジュール内に組み込まれることを特徴とする装置。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置であって、前記レーザスキャナ（１０）にさらなる測定デバイスが配置され、前記測定デバイスのデータが、前記レーザスキャナ（１０）のデータとともにつなぎ合わされ、また必要な場合、事前に前記スキャナマウス（３０）のデータとともにつなぎ合わされ、評価されることを特徴とする装置。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の装置を使用して、周辺空間を光学的に走査および測定する方法であって、前記周辺空間が、測定点（Ｘ）の範囲内で部分的に重複している異なる走査を用いて測定され、また前記レーザスキャナ（１０）が、特定の中心（Ｃ_i）を有する各走査に対して特定の位置へ動かされ、前記スキャナマウス（３０）が、前記異なる中心（Ｃ₁、Ｃ₂、．．）間で前記レーザスキャナ（１０）がたどる経路を記録するために用いられることを特徴とする方法。

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