用于光学地扫描环境的测量设备及校准测量设备的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于光学地扫描环境的测量设备。测量设备(1)，尤其激光扫描器，用于光学地扫描以及测量环境。测量设备(1)包括以可旋转的方式安装的测量头(2)和旋转单元(10)，旋转单元(10)安装在测量头(2)中并且具有以可旋转的方式安装的旋转主体(20)，其中用于观察目标点的瞄准元件(70)集成至旋转主体(20)中，所述瞄准元件包括贯穿旋转主体(20)的开口(70’)。

【技术实现步骤摘要】
用于光学地扫描环境的测量设备及校准测量设备的方法
本专利技术涉及测量设备，尤其激光扫描器，用于光学地扫描或者测量环境。测量设备包括旋转单元，旋转单元具有偏转元件以及旋转主体，偏转元件用于偏转传输光束以及接收光束。
技术介绍
前序中提到类型的测量设备或者扫描器设计成三维地测量空间区域和/或对象。典型应用包括例如测量内部(诸如教堂以及工厂建筑物)、大的对象(诸如建筑物或者飞机)，或者事故地点的公开测量。为了测量这些对象，依靠激光扫描器，用激光束扫描预定的空间体积，并且检测从对象所反射的激光，其中，对于每个点时时获取用于所发射的激光束的方向以及所检测到的激光的方向的角度信息。依靠检测到的激光，通过三角测量和/或飞行时间测量或者相移，能够确定位于空间体积中的表面点和测量设备之间的距离。连同与所述表面点关联的角度信息，能够计算所述表面点的空间位置。根据以该方式记录的测量点的序列或者从其计算出的空间位置，通过对应软件可生成对象的所扫描表面的三维模型或者所扫描环境的三维模型，例如呈三维点云的形式。用于光学地扫描环境的设备实施为激光扫描器，根据现有技术的扫描器之一作为例子在图1中示出，通常包括：测量头2；测量头2的壳体5在一侧收纳用于产生传输光束13的辐射源6以及检测器8，检测器8用于接收从环境中的对象反射的传输光束13，从环境中的对象反射的传输光束13简称为接收光束17或者反射辐射。在该情况下，“反射辐射”还理解为指的是，从环境中的对象沿测量设备的方向发散的传输光辐射，这例如尤其发生在对象具有非常粗表面的情形下或者例如在落叶树的情形下。此外，壳体5收纳光学部件7，光学部件7用于校准和转移传输光束13和反射辐射17。测量头2或者壳体5绕基座轴线4可旋转地安装在基座3上，所述基座一般具有用于固定在支架19或者其他滑架上的适配器。测量头2或者壳体5绕基座轴线4以人工和/或电动机驱动方式以及被控制单元9监控的方式是大致可旋转的。在壳体5的相对于束源6、检测器8和光学部件7的相反侧，具有偏转元件22的旋转单元10支撑在壳体5中，依靠该旋转单元，传输光束13以受监控方式及对准方式被发射到环境中，并且反射辐射17被捕获。对于该目的，具有偏转元件22的旋转单元10安装在壳体5中，以由电动机15驱动的方式绕旋转轴线11可旋转。旋转轴线11垂直于基座轴线4，并且偏转元件22大致以相对于旋转轴线11倾斜45°倾斜角的方式布置。基座轴线4和旋转轴线11的交叉点大致对应于在偏转元件22上聚集的传输光束13的照射点，该点还表示为偏转点23。通过测量头2绕基座轴线4旋转和旋转单元10绕旋转轴线11旋转，能够实施三维扫描。考虑到激光束元件复杂的内部光机械构造和布置，根据现有技术对扫描器进行校准是非常需要的。扫描器的与仪器链接的本地坐标系统由参数规定，诸如旋转轴线以及瞄准轴线的角度偏差以及偏移。重要的校准参数包括：倾斜轴线的偏斜、激光器瞄准方向的水平以及竖直误差角度、偏转元件或者旋转镜的角度误差和位置、旋转轴线(此处通常指代为转动轴线)相对于竖直轴线(此处通常指代为基座轴线)等的偏斜。此处，因此，在输送设备之前就已经通过工厂校准明确了对这些参数的确定，这可以是基于两位置测量，例如，在EP2523017A1中描述的。允许设备的用户确定当地参数的快速有效的场校准截止目前尚不是可行的。首先，快速有效的场校准以精确的设定单元为条件，该设定单元并不是每个扫描器都有的；其次，文献中已知的用于校准的指令以及数学模型仅具有从单次仪器安装(校准的快速和有效)的两位置测量的一个数据组，主要提供用于设备构造，该构造并不对应于现有扫描器已实现的光机械构造，使得它们不能用来精确地确定给定扫描器的坐标系统。如果提前不已知参考点的坐标并且如果仅存在从单次仪器安装的两位置测量的一个数据组，那么就不能够依靠文献中提供的模型来确定期望参数。这是因为如果参考或者目标点的位置信息不已知的话，在两位置测量中的数据组估计中的补偿问题就变得突出，并且不能够完全确定校准参数。为了能够依靠通用类型的测量设备观察目标，现有技术公开了各种观察单元，诸如例如，在激光源一侧集成至测量头的壳体中的照相机。所述照相机所获取的图像能够用于观察目的而示出在显示器上，尤其作为活动图像。以这种方式实施的测量设备的不利之处在于它们操作通常复杂。而且，这种测量设备的构造(尤其对所使用的光学器件来说)是昂贵的。而且，照相机所记录的必要图像必须由对应软件处理，照相机需要额外功率源。此外，瞄准处理还需要控制单元以及估计单元。作为提供活动图像的替换形式，申请人的尚未先公开的欧洲专利申请EP12153163.6公开了目镜，其同样在照相机和激光源一侧布置在测量头的壳体中，并且尤其装备有指示发射方向的瞄准标记，例如呈刻线的形式。该申请还公开了成像系统，其包括成像光学单元以及显示器，显示器用于以图形的方式提供成像作为活动图像。根据对应于现有技术的方法选择扫描区域，这涉及产生概览扫描以及对应的概览图像。在借助概览扫描所生成的图像的辅助下，用户然后选择要扫描的区域，然后依靠精细扫描以具体细节的方式扫描以及测量该区域。
技术实现思路
本专利技术基于的目的是提供上述提到的测量设备的替换方案。该替换测量设备旨在其构造以及操作基本不复杂、成本更有效以及更具鲁棒性(robust)。为此，其旨在更灵活地使用，也即，以更好地适应相应测量要求的方式使用，以及能够进行例如原地快速校准。这些目的中的至少一个是依靠以下测量设备实现的。根据本专利技术的测量设备，其尤其实施为激光扫描器，用于光学地测量环境，包括：以可旋转的方式安装的测量头；辐射源，该辐射源集成在测量头中并且用于产生传输光束；接收传感器，该接收传感器集成在测量头中并且用于检测反射回的传输光辐射作为接收辐射；以及旋转单元，该旋转单元安装在测量头中。旋转单元包括旋转主体，旋转主体绕其旋转轴线可旋转地安装在至少一侧，具有偏转元件用于将传输光束对准偏转至环境以及对接收光束进行捕获以及偏转。根据本专利技术，瞄准元件集成至旋转主体，所述瞄准元件包括贯穿旋转主体的开口。该贯通开口允许使用旋转主体用作瞄准元件的支撑结构。在本专利技术的上下文中，旋转主体被理解为这样的主体：在其基本实施方式中，其具有对应于由曲线围绕旋转轴线旋转而形成的边界面的表面，或者换言之，该主体的上述表面是相对于主体的旋转轴线以旋转对称的方式而对准的边界面。旋转主体的实例为螺旋柱形，圆柱形，锥形以及截头锥形。根据本专利技术使用的这种旋转主体的旋转轴线与测量设备的旋转轴线(也称为倾斜轴线(tippingaxis))重合，测量设备的旋转轴线大体垂直于设备的基座轴线。在这种情况下，对于在根据本专利技术的上述测量设备中使用旋转主体而言，还可以修改旋转主体，例如在一个轴向端部或两个轴向端部处形成锥形或者布置一个或多个孔，使得这一最终部件不再对应于理想的旋转主体的定义。然而，旋转主体的基本改造保持不变，使得其除了最终部件以外还具有相对于其旋转轴线而旋转对称的边界面。能够看穿旋转主体中的贯通开口并且观察目标。旋转主体绕旋转轴线的可旋转性以及承载有旋转主体的测量头绕基座轴线的可旋转性允许容易地将瞄准元件对准期望目标。依靠公知方式存在的角度编码器，可精确地知道贯通开口的布置或者瞄准元本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量设备(1)，尤其是激光扫描器，用于光学地测量环境，该测量设备包括以可旋转的方式安装的测量头(2)并且包括‑光束源(6)，该光束源集成在所述测量头(2)中并且用于产生传输光束(13)，‑接收传感器(8)，该接收传感器集成在所述测量头(2)中并且用于检测经反射的传输光束(13)，所述经反射的传输光束(13)作为接收光束(17)而返回，以及‑包括旋转单元(10)，该旋转单元安装在测量头(2)中并且具有旋转主体(20)，该旋转主体(20)以能够绕其旋转轴线(11)旋转的方式安装在至少一侧，所述旋转单元具有偏转元件(22)，该偏转元件用于将所述传输光束(13)对准地偏转至所述环境以及对所述接收光束(17)进行捕获及偏转，其特征在于，‑瞄准元件(70)，该瞄准元件集成在所述旋转主体(20)中，所述瞄准元件包括贯穿所述旋转主体(20)的开口(70’)。

【技术特征摘要】
2013.10.09 EP 13187896.91.一种测量设备(1)，所述测量设备被构建为激光扫描器，用于光学地测量环境，该测量设备包括以可旋转的方式安装的测量头(2)，所述测量头具有壳体(5)，所述壳体围绕所述激光扫描器的基座轴线(4)以可旋转的方式安装在基座(3)上，所述激光扫描器包括-光束源(6)，该光束源集成在所述测量头(2)的所述壳体(5)中并且用于产生传输光束(13)，-接收传感器(8)，该接收传感器集成在所述测量头(2)的所述壳体(5)中并且用于检测经反射的传输光束(13)，所述经反射的传输光束(13)作为接收光束(17)而返回，以及-包括旋转单元(10)，该旋转单元安装在所述测量头(2)中且位于所述壳体(5)中的所述接收传感器(8)和另外的光学部件(7)的相反侧，并且所述旋转单元(10)具有旋转主体(20)，该旋转主体(20)以能够绕其旋转轴线(11)旋转的方式安装在至少一侧，所述旋转单元具有偏转元件(22)，该偏转元件用于将所述传输光束(13)对准地偏转至所述环境以及对所述接收光束(17)进行捕获及偏转，其中所述基座轴线(4)与所述旋转轴线(11)被布置为彼此大体垂直，所述旋转主体(20)大体为圆柱的形状，并且所述旋转轴线(11)是该圆柱的旋转轴线；并且其中-一瞄准元件(70)集成在所述旋转主体(20)中，所述瞄准元件包括直线地贯穿所述旋转主体(20)的贯通开口(70’)，因此能够看穿所述贯通开口(70’)并观察目标，其特征在于分别穿过所述瞄准元件(70)和所述贯通开口(70’)的观察方向(77)、所述传输光束(13)入射到所述偏转元件(22)上时的入射方向(78)、以及所述偏转元件(22)将所述传输光束(13)偏转至所述环境时的偏转方向(79)，这个三个方向彼此垂直。2.根据权利要求1所述的测量设备(1)，其特征在于，设置有控制单元(9)，该控制单元借助于软件以如下方式构造：-利用所述瞄准元件(70)观察到的目标的空间坐标能够被获取以及存储，并且用于旋转所述旋转主体(20)和/或测量头(2)的电动机能够被控制，以使得所述传输光束(13)能够对准所述目标，和/或，-用于旋转测量头(2)和/或旋转主体(20)的电动机能够被驱动，以使得集成在所述旋转主体(20)中的所述瞄准元件(70)能够对准预定坐标。3.根据权利要求1或2所述的测量设备(1)，其特征在于，所述瞄准元件(70)包括能够插入所述旋转主体(20)中的管(74)，或者包括望远镜(71’)。4.根据权利要求1或2所述的测量设备(1)，其特征在于，所述瞄准元件(70)装备有光学单元(71)和/或目标标记(72)。5.根据权利要求1或2所述的测量设备(1)，其特征在于，所述旋转主体(20)由具有低相对密度的轻质材料制造，其中，所述材料包括以下物质中的一种或多种：塑料、轻金属。6.根据权利要求1或2所述的测量设备(1)，其特征在于，所述旋转主体(20)以实心方式来实施。7.根据权利要求1或2所述的测量设备(1)，其特征在于，所述旋转主体(20)以轻质构造的形式制造，所述轻质构造具有节约重量及节约材料的材料切口。8.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·贝斯特勒，J·舍加，
申请(专利权)人：赫克斯冈技术中心，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH