(57)【要約】  レーザスキャナ１０の環境を光学的に走査および測定する方法であって、レーザスキャナ１０が、発光器１７および受光器２１をもつ測定ヘッド１２と、測定ヘッド１２に対して第１の軸Ａの周りを回転可能な鏡１６と、測定ヘッド１２がそれに対して第２の軸Ｂの周りを回転可能な基部１４と、制御および評価ユニット２２と、走査に対して、レーザスキャナ１０の静止基準系およびこの走査の中心を画定する中心Ｃ１０とを備え、発光器１７が発光ビーム１８を放射し、鏡１６が、発光ビーム１８を環境内へ反射し、また測定ヘッド１２の回転中にいくつかの完全な回転を行い、受光器２１が、鏡１６を介して受光ビームを受け取り、受光ビームが、レーザスキャナ１０の環境内で物体Ｏによって反射され、または他の形で散乱され、制御および評価ユニット２２が、走査の多数の測定点Ｘに対して、少なくとも中心Ｃ１０と物体Ｏの距離ｄを判定し、測定ヘッド１２が、走査に対して半分より大きな回転を行い、少なくともいくつかの測定点Ｘが２重に判定される方法が提供される。
2013502571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザスキャナ（１０）の環境を光学的に走査および測定する方法であって、前記レーザスキャナ（１０）が、発光器（１７）および受光器（２１）をもつ測定ヘッド（１２）と、前記測定ヘッド（１２）に対して第１の軸（Ａ）の周りを回転可能な鏡（１６）と、前記測定ヘッド（１２）がそれに対して第２の軸（Ｂ）の周りを回転可能な基部（１４）と、制御および評価ユニット（２２）と、走査に対して、前記レーザスキャナ（１０）の静止基準系およびこの走査の中心を画定する中心（Ｃ１０）とを備え、前記発光器（１７）が発光ビーム（１８）を放射し、前記鏡（１６）が、前記発光ビーム（１８）を前記環境内へ反射し、また前記測定ヘッド（１２）の回転中にいくつかの完全な回転を行い、前記受光器（２１）が、前記鏡（１６）を介して受光ビームを受け取り、前記受光ビームが、前記レーザスキャナ（１０）の環境内で物体（Ｏ）によって反射され、または他の形で散乱され、前記制御および評価ユニット（２２）が、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（Ｃ１０）と前記物体（Ｏ）の距離（ｄ）を判定し、前記測定ヘッド（１２）が、前記走査に対して半分より大きな回転を行い、少なくともいくつかの測定点（Ｘ）が２重に判定されることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記測定ヘッド（１２）が、前記走査に対して完全な回転を行い、すべての測定点（Ｘ）を２回判定することを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法であって、前記２重の測定点（Ｘ）の偏差が判定され、前記レーザスキャナ（１０）の較正および補償に使用されることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、前記２重の測定点（Ｘ）の前記偏差が、すべての測定点（Ｘ）の補正に使用されることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項３または４に記載の方法であって、偏差として、互いに実際に対応する測定点（Ｘ）の座標の偏差が判定されることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法であって、互いに実際に対応する前記測定点（Ｘ）の前記座標の前記偏差が、誤差補正方法によって判定されることを特徴とする方法。
【請求項７】
前記請求項のいずれか１項に記載の方法であって、前記レーザスキャナ（１０）の前記環境が、標的（Ｔ１、Ｔ２、．．．）を備えることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、前記測定ヘッド（１２）の回転のため、いくつかの標的（Ｔ１、Ｔ２、．．）が２重に位置合わせされるように、前記走査の領域が重複することを特徴とする方法。
【請求項９】
前記請求項のいずれか１項に記載の方法であって、データの確定が、２重に判定された前記測定点（Ｘ）を用いて実施されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記請求項のいずれか１項に記載の方法を実施するレーザスキャナ（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の一般的な用語の特徴を有する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば独国実用新案第２０２００６００５６４３号明細書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、導入で述べた種類の方法を実行することができる。レーザスキャナ上の損傷または他の誤差要因のため、走査は不正確になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】独国実用新案第２０２００６００５６４３号明細書
【特許文献２】米国特許第７，４３０，０６８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、導入で述べたタイプの方法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の特徴を含む方法を用いて実現される。従属請求項は、有利な構成に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
測定ヘッドを必要な半回転より大きく回転させることによって、少なくともいくつかの測定点が２重に判定される。次いで、そのような点は、レーザスキャナの異なる機械構成を使用して２回判定される（水平と垂直の角度の別の組合せが、空間内の同じ点を指す）。これはやはり同じレーザスキャナであるが、２つの異なる構成の結果、２つの異なる走査が得られ、すなわち２つの異なるレーザスキャナによってもたらされるような２つの異なる走査が得られる。しかし、２つの異なる走査は、規定の形で相関する。
【０００６】
２重に判定された測定点から得られる追加の情報は、誤差補正のために使用することができる。したがって、測定点の座標、すなわち測定点の角座標を優先的に補正することができる。より多くの２重の測定点が利用可能であればあるほど、より良好な補正を行うことができる。誤差の種類によっては、レーザスキャナの単一の較正で十分である。単一の較正は、２重の測定点を用いないその後の走査でさらに使用される。しかし、動的な誤差も、同様に補正することができる。この方法はまた、データを確定するために使用することができる。測定されたデータは、一貫している場合、すなわち２重の測定点に偏差がまったく、および／または非常にわずかにしか存在しない場合に確定される。
【０００７】
たとえば傾斜軸の誤差を判定するのに使用される２つの円の位置における測定とは異なり、本発明では、測定されるのは領域の同じ点ではないが、測定は、（理論的には）同一の座標で２回行われ、２重に測定された物体の座標から、潜在的な誤差が判定される。
【０００８】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】レーザスキャナの環境の光学的走査および測定の概略部分断面図である。
【図２】軸および角度の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
レーザスキャナ１０が、レーザスキャナ１０の環境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、垂直軸の周りを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は水平軸の周りを回転することができる。鏡１６の水平軸を第１の軸Ａと呼び、鏡１６の割り当てられた回転角度を第１の角度αと呼び、測定ヘッド１２の垂直軸を第２の軸Ｂと呼び、測定ヘッド１２の割り当てられた回転角度を第２の角度βと呼び、第１の軸Ａと第２の軸Ｂの交差点をレーザスキャナ１０の中心Ｃ１０と呼ぶ。
【００１１】
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７９０ｎｍなど、約３４０〜１０００ｎｍの可視域内のレーザビームであることが好ましいが、原則として、たと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、たと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で偏向されて環境へ放射される。物体Ｏによって環境内で反射され、または他の形で散乱される受光ビーム２０は、鏡１６によって再び捕獲され、偏向され、かつ受光器２１へ誘導される。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、すなわち２つの角度αおよびβに起因する。２つの角度αおよびβは、この場合もそれぞれ１つのエンコーダによって位置合わせされる対応する回転アクチュエータの位置に依存する。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へのデータ接続を有し、それによって制御および評価ユニット２２の部分は、測定ヘッド１２の外側に構成することもでき、たとえば基部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の伝搬時間から、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。
【００１２】
走査は、第１の軸Ａの周りの鏡１６の（急速）回転を用いて円に沿って行われ、すなわち第１の角度αは毎回、回転（３６０°）を行う。しかし、約４０°の角度範囲は、発光ビーム１８がこの角度範囲内で基部１４上へ誘導され、かつ基部１４上に取り付けられた測定ヘッド１２の部分上へ誘導されるため、使用することができない。基部１４に対する第２の軸Ｂの周りの測定ヘッド１２の（低速）回転によって、円を用いて空間全体がステップごとに走査される。鏡１６は、測定ヘッド１２が回転する間に、いくつかの完全な回転を同時に実施する。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の静止基準系を画定し、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、たとえば米国特許第７，４３０，０６８号明細書および独国実用新案第２０２００６００５６４３号明細書に記載されている。それぞれの開示を引用して援用する。
【００１３】
その設計のため、レーザスキャナ１０は、中心Ｃ１０、半径として距離ｄ、ならびに２つの角度αおよびβをもつ球座標系を画定する。しかし球座標では原則的に、一方の角度が完全な回転を行い、他方の角度は遠くても半分しか進まない。第２の角度βが０°から１８０°まで進んだとき、すなわち測定ヘッド１２が回転の半分を実施したとき、本発明のレーザスキャナでは、第１の角度αがすでに完全な回転を行うため、（座標に対する）完全な走査が行われている。
【００１４】
測定ヘッド１２の初期の位置（β＝０°）は、垂直平面によって分離される２つの半球を画定する。第２の角度βが１８０°であるとき、一方の半球は、下から上へ進む（発光ビーム１８の）レーザビームスポットで走査され、他方の半球は、上から下へ進む（発光ビーム１８の）レーザビームスポットで走査されている。しかし本発明では、測定ヘッド１２は、半分より大きい回転（β＞１８０°）、具体的には１回の完全な回転を行う。鏡１６はやはり同じ方向に回転しているが、発光ビーム１８のスポットはこのとき、各半球内で反対の方向に進んでいる。同じレーザスキャナ１０は、反対の（逆の）機械構成で走査している。第１の角度αと第２の角度βの点の別の組合せは空間内の同じ点を指し、すなわち空間内の同じ点は、第１の角度αと第２の角度βの２つの異なる組合せによって記述される。
【００１５】
したがって、いくつかの測定点Ｘ、具体的にはすべての測定点Ｘが、２回判定される。レーザスキャナ１０が完全な状態であり、ならびに完全に設置されている場合、２重の測定点Ｘは同一であるはずである。しかし、レーザスキャナ１０の損傷、たとえば鏡および／または測定ヘッドの軸受の湾曲により、２つの軸ＡおよびＢがもはや中心Ｃ１０で交差しなくなり、かつ／またはもはや互いに対して正確に垂直でなくなる可能性がある。そのような誤差の場合、２重の測定点Ｘは互いからずれ、すなわち実際に対応する測定点Ｘは、ずれている座標を有する。このとき、これらの偏差（測定点Ｘの不整合性）を使用して、レーザスキャナ１０を較正し、したがって測定点Ｘを補正することができる。その際、すべての補正された測定点Ｘが１回だけ利用可能になるように、測定点Ｘを再び低減させることができる。
【００１６】
たとえば方法は、いくつかの走査をともにつなぎ合わせるように開発されているため、対応する測定点Ｘを探索するために使用することができる。走査を行う前、いくつかの標的Ｔ１、Ｔ２、．．．、すなわち特殊な物体Ｏまたは物体Ｏの特殊な部分が環境内に停止していることがある。測定点１２が１８０°より大きい第２の角度βだけ回転するため、いくつか（好ましくは少なくとも３つ）の標的Ｔ１、Ｔ２、．．．が２重に位置合わせされるように、走査の少なくとも１つの領域は重複する。球またはチェッカボード模様が特に適した（したがって好ましい）標的Ｔ１、Ｔ２、．．．であることがわかっている。次いで、走査内で標的Ｔ１、Ｔ２、．．．の場所を特定して識別しなければならない。互いに対応する測定点Ｘの偏差は、標的Ｔ１、Ｔ２、．．の座標の偏差に起因する。
【００１７】
測定点Ｘの（座標の）偏差が大きすぎるはずはないため、互いに対応する測定点Ｘは、同じく誤差補正方法を用いて、たとえば最小２乗誤差方法を用いて探すことができる。
【００１８】
測定ヘッド１２が回転すればするほど、すなわち第２の角度βが１８０°〜３６０°の範囲内で大きくなればなるほど、較正はより良好になる。動的な誤差を認識するには、測定点１２が２回以上の完全な回転を行うとさらに賢明であろう。
【００１９】
データは、不整合性に関して検査される。測定点Ｘに偏差または他の不整合性がまったく、または非常にわずかにしか存在しない場合、本発明による方法は、データの確定を（ほぼ自動的に）与える。不整合性が特定の制限を超過する場合、たとえば、走査中に衝撃のため、レーザスキャナ１０の向きが変化した場合、深刻な誤差が検出される可能性がある。
【００２０】
レーザスキャナ１０は、様々なセンサ、たとえば温度計、傾斜計、高度計、コンパス、ジャイロコンパス、ＧＰＳなどを備えることが好ましく、これらのセンサは、制御および評価ユニット２２に接続されることが好ましい。前記センサを用いて、幾何学的な向きまたは温度のような特定のパラメータによって規定されたレーザスキャナ１０の動作条件が監視される。１つ以上のパラメータがずれを示す場合、関連するセンサはそのずれを検出する。ずれは、制御および評価ユニット２２によって補償することができる。前記センサを用いて、動作条件の突然の変化、たとえばレーザスキャナ１０の向きを変化させる衝撃、またはレーザスキャナ１０のシフトを検出することもできる。前記変化量を十分正確に検出できない場合、走査動作は中断または中止される。動作条件の前記変化量を大まかに予測できる場合、測定ヘッド１２は、（突然の変化前に走査された領域との重複が利用可能になるまで）ある程度逆に回転することができ、走査動作は継続される。重複領域を評価することによって、走査の２つの異なる部分を組み合わせることができる。
【００２１】
本発明による方法はまた、動作条件の突然の変化前または後の走査の一部、すなわちより小さい部分を廃棄することを可能にする。
【符号の説明】
【００２２】
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、Ａ  第１の軸、α  第１の角度、Ｂ  第２の軸、β  第２の角度、Ｃ１０  レーザスキャナの中心、ｄ  距離、Ｏ  物体、Ｔｉ  標的、Ｘ  測定点。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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2013502571.tif 000006
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