(57)【要約】  本発明は、レーザスキャナ１０を用い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、レーザスキャナ１０が、ある中心Ｃを有する走査を行うために、目標Ｔを含むその周りを光学的に走査および測定し、それによって、異なる中心を有するが同じ周辺空間を走査する２つの隣接する走査が測定点Ｘの範囲内で重複し、したがっていくつかの目標が２つの走査のいずれかによって走査され、それによって、第１のステップ中に、２つの隣接する走査を位置合わせするために、測定点内で目標の場所が特定され、第２のステップ中に、２つの隣接する走査の場所を特定された目標の間で対応関係候補が探され、第３のステップ中に、２つの隣接する走査の仮の位置合わせが行われ、重複する範囲内に測定点の十分な適合度がある場合、仮の的位置合わせが正規の位置合わせに置き換わり、したがって目標を特定する方法が提供される。
2012521546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザスキャナ（１０）を用い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、前記レーザスキャナ（１０）が、ある中心（Ｃi）における走査を行うために、目標（Ｔ1、Ｔ2、．．．．）を含む当該レーザスキャナの周りを光学的に走査および測定し、それによって、異なる中心（Ｃ1、Ｃ2、．．．）を有するが前記同じ周辺空間を走査する２つの隣接する走査が測定点（Ｘ）の範囲内で重複し、したがっていくつかの目標（Ｔ1、Ｔ2、．．．．）が前記２つの走査のいずれかによって走査され、それによって、前記２つの隣接する走査を位置合わせするために、第１のステップで、後に目標の特定をするために前記走査の前記測定点（Ｘ）内で前記目標（Ｔ1、Ｔ2、．．．．）の場所が定められ、第２のステップで、前記２つの隣接する走査の前記場所が定められた目標（Ｔ1、Ｔ2、．．．．）の間で対応関係候補が探され、第３のステップで、前記２つの隣接する走査結果の仮の位置合わせが行われ、重複する前記範囲内で前記測定点（Ｘ）について十分な適合度がある場合、前記仮の位置合わせが正規の位置合わせに置き換えられ、したがって前記目標（Ｔ1、Ｔ2、．．．．）を特定す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、前記目標（Ｔ1、Ｔ2、．．．．）の場所が、前記第１のステップ中にそれらの形状およびそれらの勾配の少なくとも一方によって定められ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、前記第２のステップ中に、前記２つの走査のいずれかの中の少なくとも１つの場所が定められた目標（Ｔi）に対して、前記目標（Ｔi）が埋め込まれ、最も近いいくつかの目標（Ｔ1、Ｔ2、．．．．）からなる幾何形状が決定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、前記場所が定められた目標（Ｔ1、Ｔ2、．．．．）を埋め込む前記２つの隣接する走査範囲の前記幾何形状の間で、類似の幾何形状が探されることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、前記異なる２つの隣接する走査に由来する２つの目標（Ｔi）が類似の幾何形状内に埋め込まれているとすぐ、１対の対応関係候補が見つけられることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項３から５のいずれか１項に記載の方法であって、前記埋め込む幾何形状が、前記場所が定められた目標（Ｔi）と前記最も近いいくつかの目標（Ｔ1、Ｔ2、．．．．）との間の決定された距離および角度の少なくとも一方に由来することを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項４または６に記載の方法であって、前記場所が定められた目標（Ｔi）と前記最も近いいくつかの目標（Ｔ1、Ｔ2、．．．）との間の距離が特定の精度間隔内で互いに対応する場合、前記埋め込む幾何形状が類似していることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の方法であって、第３のステップで、仮の位置合わせ中、前記対応関係候補が最小距離を示すように、前記２つの隣接する走査が互いに対して位置関係が変更されることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、前記対応関係候補が最小距離を示す場合、前記重複する範囲内の前記測定点（Ｘ）が統計的方法を用いて比較されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１から９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）が、前記周辺空間を光学的に走査および測定するために異なる位置に設置されて、それぞれ１つの走査を行い、それによって前記レーザスキャナ（１０）が、各位置で前記走査の前記対応する中心（Ｃi）を定めることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法を実施することを特徴と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の意味するところを包括する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば米国特許第７，４３０，０６８号から周知のものなどのレーザスキャナを用いて、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。より広範な周辺空間を走査するには、様々な位置から、すなわち中心を変えていくつかの走査を行うことが必要な場合ある。２つの隣接する走査範囲の重複する領域内に事前に設置されている目標の場所がユーザによって特定され、２つの隣接する走査範囲内で認識される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】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、導入部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達成される。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】
本発明による方法は、周辺空間内の隣接して重複する走査結果を互いに位置合わせするために、目標の場所を自動的に特定して識別することを可能にする。組合せの可能性の数を低減させるために、その中に目標が埋め込まれた類似の幾何形状を探すことが好ましい。それらの幾何形状は、少数のさらなる目標によって、たとえば３つの最も近い目標によって規定され、その結果四角形が得られることが好ましい。異なるが隣接する走査からの２つの目標が類似の幾何形状内に埋め込まれている場合、１対の潜在的な対応関係候補が見つかる。仮の位置合わせにより、２つの走査結果が試験的に重ね合わされる。
【０００６】
本方法は、目標間の幾何形状、すなわち目標間の幾何学的関係に基づくため、走査が互いに離れている場合でも成功する広範な方法である。したがって、本方法は、大まかな位置合わせにも微細な位置合わせにも使用することができる。「反復最近点」または他の勾配に基づく動力学のような周知の方法は、走査がともに十分に近い場合にのみ成功する局部的な方法である。それらの周知の方法は、微細な位置合わせ（２次的な最小値が存在しないとき）にしか使用することができない。
【０００７】
走査に加えて、さらなる測定ユニットからのデータを使用し、次いでこのデータを走査とリンクさせることも可能である。これは、傾きセンサもしくはコンパスなどの一体型の測定ユニットとすることができ、またはたとえば従来の測定を実施する外部測定ユニットとすることができる。したがって、位置合わせ結果を改善することができ、および／または必要な目標の数を低減させることができる。たとえば、そのような測定ユニットを用いて１つまたはいくつかの目標の位置を判定することも可能である。これにより、走査内の目標の場所の特定を容易にし、または場所の特定を定める。
【０００８】
すべてのステップ中、ノイズレベルなどのため、測定点の正確な適合度が得られないという問題がある。しかし、精度を区別および規定する働きをする閾値および／または間隔を決定することが可能である。勾配の形成、最大値の探索、および統計的方法も同様に適用することができる。
【０００９】
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】
【００１０】
【図１】いくつかの走査を用いて得た周辺空間における位置合わせの概略図である。
【図２】レーザスキャナの概略図である。
【図３】レーザスキャナの断面詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
レーザスキャナ１０が、レーザスキャナ１０の周り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つの回転軸の交点を、本明細書ではレーザスキャナ１０の中心Ｃiと呼ぶ。
【００１２】
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３００〜１０００ｎｍの可視域内のレーザビームであることが好ましい。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で偏向されて周りに放射される。周りの空間内に位置する物体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、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。
【００１３】
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段々に走査される。そのような測定の測定点Ｘの集合の全体を走査結果と呼ぶ。レーザスキャナ１０の中心Ｃiは、そのような走査および走査結果に対して、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、たとえば米国特許第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。
【００１４】
特定の周辺空間の走査は、レーザスキャナ１０の周りを光学的に走査および測定することによって行われる。周辺空間の走査において、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、走査および測定プロセスが繰り返される。１つの走査は、定められた１つの中心Ｃiについて行われる。複数の走査結果は、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。同一の周辺空間についての個々の走査結果は、つなぎ合わせた座標系によって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。
【００１５】
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が周辺空間内に定位している。次いでレーザスキャナ１０は位置を変えて数回設置され、すなわちその度に新しい中心Ｃiが定められ、各位置につ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従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。
【００１６】
これまでは、測定結果の位置合わせをするために、目標Ｔ1、Ｔ2、．．．の場所が走査範囲内で手動で特定されて識別されてきた。本発明によれば、位置合わせは自動的に行われる。
【００１７】
この目的のため、第１のステップとして、目標Ｔ1、Ｔ2、．．．の場所が走査範囲内で特定される。球の場合、この情報は距離ｄから入手することができる。距離ｄは、一様に曲がった丸い形状になるように、すなわち半球になるように互いに結合される。チェッカボード模様の場合、２つの方向における勾配を認識することができる。目標Ｔ1、Ｔ2、．．．の場所を特定する際の誤りを回避するために、各目標Ｔiに対して、いくつかの測定点Ｘ、たとえば少なくとも５０〜１００個の測定点Ｘを用いることが賢明である。閾値をもつフィルタは、場所の特定のさらなる誤りを回避するのに役立ち得る。さらに、レーザスキャナ１０内に組み込まれたさらなる測定ユニットまたは外部測定ユニットからのデータを使用することができ、それによって、１つまたはいくつかの目標Ｔ1、Ｔ2、．．．に対する走査内の場所の特定を容易にしまたは規定する。
【００１８】
第２のステップでは、潜在的な対応関係候補が探される。走査ごとに、いくつかの場所を特定された目標Ｔiに対して、対応する目標Ｔiと他の（または少なくとも最も近い）目標Ｔ1、Ｔ2、．．．の間の距離（または別法として角度）が距離ｄから判定され、その結果、対応する目標Ｔiが埋め込まれた特定の幾何形状、たとえば３つの最も近い目標Ｔ1、Ｔ2、．．．をもつ３次元の四角形が得られる。隣接する走査と比較するとき、類似の幾何形状が探される。２つの異なる隣接する走査結果から得た２つの目標Ｔiが類似の幾何形状内に埋め込まれているとすぐ、すなわち少なくとも最も近い目標Ｔ1、Ｔ2、．．．への距離が特定の精度間隔内で互いに対応しているとすぐ、１対の対応関係候補が見つけられる。
【００１９】
第３のステップでは、試験的位置合わせが実施され、すなわち、対応関係候補およびそれらが埋め込まれた幾何形状が最小距離を示すまで、隣接する走査結果は、平行移動および回転によって互の位置関係が変更される。次いで、両方の走査範囲内に存在しなければならない、すなわち２つの走査の重複する範囲内にあるすべての測定点Ｘが、統計的方法を用いて比較される。たとえば、距離を判定することが可能であり、距離の和を（欠けている）適合度の測定単位とすることができる。統計的に入手された適合度が特定の閾値を超過する場合、目標Ｔ1、Ｔ2、．．．が特定され、この仮の位置合わせが正規の位置合わせに置き換えられる。適合度が十分でない場合、この対の対応関係候補は拒否され、第２および第３のステップを用いて目標Ｔ1、Ｔ2、．．．の特定が繰り返される。
【００２０】
特に多くの目標Ｔ1、Ｔ2、．．．の場合、対応関係候補の探索は非線形性による問題を生じる可能性があるため、対応関係候補の探索に少数の目標Ｔ1、Ｔ2、．．．、すなわち小さい埋め込まれた幾何形状だけを使用すること、そしてすべての目標Ｔ1、Ｔ2、．．．で試験的位置合わせを行うことが賢明である。これにより、方法全体の性能を向上させる。
【符号の説明】
【００２１】
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、Ｃi  中心、ｄ  距離、Ｏ  物体、Ｔi  目標、Ｘ  測定点。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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