DE102012109481A1 - Vorrichtung zum optischen Abtasten und Vermessen einer Umgebung - Google Patents

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Abstract

Eine Vorrichtung zum optischen Abtasten und Vermessen einer Umgebung, die mobil ausgebildet ist, weist einen Laserscanner (10) oder dergleichen, welcher 3D-Scans erstellt, und einen autonom fahrbaren Roboter (2) auf, auf welchem der Laserscanner (10) oder dergleichen montiert ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
  • Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der DE 10 2007 037 162 A1 bekannt. Der Laserscanner ist auf einem Automobil montiert, welches von einem Fahrer gefahren wird. Besagte Vorrichtung wird im Außenbereich verwendet, um über große Strecken hinweg Häuser an der Straße oder Tunnelwände abzutasten und zu vermessen.
  • Eine weitere Vorrichtung dieser Art ist in der DE 10 2010 033 561 B3 beschrieben. Der Laserscanner ist auf einem manuell verfahrbaren Trolley montiert. Besagte Vorrichtung ist für den Innenbereich geeignet, beispielsweise um einzelne Räume eines Gebäudes abzutasten und zu vermessen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß ist der Laserscanner auf einem autonom fahrenden Roboter montiert. Derartige Roboter sind für andere Einsatzzwecke per se bekannt, beispielsweise aus der US 2011/0288684 A1 . Der vorliegende Einsatzzweck des Roboters schafft aber neue Möglichkeiten. Die zeitaufwendige Erstellung zahlreicher 3D-Scans kann mit einem deutlich geringeren Einsatz von Arbeitskräften erfolgen. Bei gewerblichen Räumen, beispielsweise in Industrie- und Bürobauten, können die 3D-Scans außerhalb der gewöhnlichen Arbeitszeit erstellt werden, beispielsweise nachts, ohne den normalen Betrieb zu stören. Letztendlich kann durch die Autonomie des Roboters die Gesamtheit der 3D-Scans ohne Arbeitszeit-Mehraufwand mit einer größeren Genauigkeit und Gründlichkeit erstellt werden. Anstelle des Laserscanners kann auch eine andere Messeinrichtung verwendet werden, beispielsweise eine Messeinrichtung, die mit Photogrammetrie oder Videogrammetrie arbeitet.
  • Um den Roboter zu initialisieren und dabei Informationen über die zu scannende Umgebung zu verschaffen, insbesondere als 2D-Karte der Umgebung, ist vor der eigentlichen Scanphase vorzugsweise eine Initialisierungsphase vorgesehen, in welcher der Roboter beispielsweise einem Lehrer durch die zu vermessenden Räume folgt, wobei der Laserscanner beispielsweise außer Betrieb bleibt. Während dieser Initialisierungsphase erstellt der Roboter, vorzugsweise mittels eines Horizontalscanners, die 2D-Karte, welche dann in der anschließenden Scanphase abzufahren ist. Die 2D-Karte kann auch mit anderen Mitteln erstellt werden. Als Zielverfolgungseinrichtung wird vorzugsweise eine solche aus dem Spielebereich oder ein Tracker für industrielle Anwendungen benutzt. Alternativ zu einer Zielverfolgung benutzt der Lehrer eine Fernsteuerung, um den Roboter während der Initialisierungsphase durch die zu vermessenden Räume zu steuern.
  • Der Roboter kann in der Initialisierungsphase anstelle des Lernens auch mittels eines strategischen (gezielten) oder stochastischen Vorgehens seine 2D-Karte erstellen, was aber in der Regel zeitintensiver ist. Es ist alternativ möglich, dass dem Roboter eine extern erstellte 2D-Karte zur Verfügung gestellt wird, auf der beispielsweise die Positionen für die 3D-Scans markiert sind. Dann wird in der Initialisierungsphase die 2D-Karte vom Roboter geladen.
  • Eine erleichterte und schnellere Registrierung der 3D-Scans ergibt sich durch eine Vernetzung von Laserscanner und Roboter, indem ein Bezug zwischen den momentanen Positionen auf der 2D-Karte und den jeweiligen, auf diesen Positionen erstellten 3D-Scans geschaffen wird. Dabei sind verschiedenen Grade der Vernetzung möglich.
  • Der Roboter weist eine vollkommene Beweglichkeit in zwei Raumrichtungen auf. Um diese Beweglichkeit wenigstens eingeschränkt auch in der dritten Raumrichtung zu erreichen, ist der Laserscanner vorzugsweise relativ zum Roboter höheneinstellbar, beispielsweise mittels eines höheneinstellbaren Trägers. Der Träger kann beispielsweise ein ausfahrbarer Mast, ein gelenkiger Arm, ein Scherengestell oder eine sonstige Hubeinrichtung mit entsprechenden Führungen sein. Das Scannen ist mittels eines solchen Trägers nicht auf eine Froschperspektive beschränkt, was insbesondere in möblierten Räumen von Vorteil ist.
  • Der Laserscanner weist vorzugsweise den an sich bekannten Aufbau auf, wie er beispielsweise in der eingangs genannten DE 10 2010 033 561 B3 beschrieben ist. Die "horizontale" Anordnung der Drehachse des Spiegels und die "vertikale" Anordnung der Drehachse des Messkopf beziehen sich auf eine ideale Ausrichtung des Laserscanners. Bei einer hierzu geneigten Ausrichtung des Laserscanners sind die Begriffe "horizontal" und "vertikal" in einem weiteren Sinn zu verstehen.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung,
  • 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in 1,
  • 3 eine perspektivische Ansicht des Laserscanners, und
  • 4 eine schematische Darstellung des Laserscanners im Betrieb. Eine Vorrichtung 1 zum optischen Abtasten und Vermessen einer Umgebung weist einen autonom fahrenden Roboter 2 auf, mittels dessen die Vorrichtung 1 mobil ausgebildet ist. Der Roboter 2 ist mit einer Plattform 2a und – in an sich bekannte Weise – mit einem omnidirektionalen Antrieb ausgestattet, d.h es sind mehrere (vorliegend vier) omnidirektional ausgebildete Räder 4 vorgesehen. Diese Räder 4 haben eine im wesentlichen zylindrische Gestalt haben und tragen auf ihrer Lauffläche mehrere Rollen, deren Drehachsen tangential zur Lauffläche ausgerichtet sind. Die an der Plattform 2a gelagerten Räder 4 sind jeweils von einem eigenen Antrieb (d.h. Motor mit Getriebe) unabhängig voneinander antreibbar. Alternativ sind anstelle des omnidirektionalen Antriebs andere Antriebe möglich, beispielsweise Ketten, Kufen, Schwimmkörper oder andere Radantriebe.
  • An der Plattform 2a ist ein Horizontalscanner 5 montiert, welcher in einer bevorzugten Fahrtrichtung ausgerichtet ist und einen fächerförmigen Bereich, der in dieser bevorzugten Fahrtrichtung voraus liegt, scannen kann, insbesondere um in dieser näheren Umgebung (beispielsweise etwa zehn Meter) Hindernisse zu erfassen.Vorzugsweise weist der Roboter 2 zusätzlich taktile Sensoren auf, um in der unmittelbaren Umgebung (Zentimeterbereich) bei Kontakt auch in anderen Richtungen Hindernisse zu erfassen. Für die Hindernisvermeidung können auch andere Sensoren zum Einsatz kommen, beispielsweise Kameras. Eine in der Zeichnung nur angedeutete Steuereinheit 6 wertet die Daten des Horizontalscanners 5 und vorzugsweise der zusätzlichen Sensoren aus, d.h. er erkennt die erfassten Hindernisse und steuert die Antriebe der Räder 4 in geeigneter Weise an. Die Steuereinheit 6 speichert auch die ausgewerteten Daten des Horizontalscanners 5, d.h. sie kartographiert die Umgebung des Roboters 2, um eine 2D-Karte zu erstellen und zu erweitern, beispielsweise mittels „simultaneous localization and mapping“. Die 2D-Karte kann auch mit alternativen Mitteln erstellt werden, beispielsweise Kameras, Ultraschallsensoren oder dergleichen, wenn dann den Horizontalscanner 5 ersetzen. An der Plattform 2a ist ferner eine Zielverfolgungseinrichtung 7 montiert, welche Bewegungen einer Person oder eines anderen Geräts erfassen und verfolgen kann.
  • Auf der Plattform 2a des Roboters 2 ist ein Träger 8 aufrecht stehend montiert. Der Träger 8 ist vorzugsweise in seiner Länge einstellbar, d.h. höheneinstellbar, beispielsweise mittels einer Hubeinrichtung 8a. Die Hubeinrichtung 8a kann mechanisch (beispielsweise als Zahnstangengetriebe) oder hydraulisch/pneumatisch (beispielsweise mittels eines Hubzylinders oder einer Gasdruckfeder) ausgebildet sein und entsprechend Führungen aufweisen. Der höheneinstellbare Träger 8 weist vorzugsweise ein Teleskoprohr 8b als Gehäuse auf, welches die Hubeinrichtung 8a umschließt und schützt.
  • An seiner Spitze trägt der Träger 8, vorzugsweise mittels einer Montageeinrichtung 9, einen Laserscanner 10, d.h. der Laserscanner 10 ist auf dem Roboter 2 montiert. Die Montageeinrichtung 9 dient der mechanischen Verbindung des Laserscanners 10 mit der Hubeinrichtung 8a und der elektrischen Verbindung mit dem Roboter 2, wofür innerhalb des Teleskoprohres 8b entsprechende Kabel 8c zwischen Laserscanner 10 und Roboter 2 für Energieversorgung und Datenübertragung geführt sind.
  • Der Laserscanner 10 weist einen Messkopf 12 und einen Fuß 14 auf. Der Messkopf 12 ist als eine um eine vertikale Achse drehbare Einheit auf dem Fuß 14 montiert. Der Messkopf 12 weist einen um eine horizontale Achse drehbaren Spiegel 16 auf. Der Schnittpunkt der beiden Drehachsen sei als Zentrum C10 des Laserscanners 10 bezeichnet.
  • Der Messkopf 12 weist ferner einen Lichtsender 17 zum Aussenden eines Sendelichtstrahls 18 auf. Der Sendelichtstrahl 18 ist vorzugsweise ein Laserstrahl im Bereich von ca. 300 bis 1600 nm Wellenlänge, beispielsweise 790 nm, 905 nm oder weniger als 400 nm, jedoch sind prinzipiell auch andere elektromagnetische Wellen mit beispielsweise größerer Wellenlänge verwendbar. Der Sendelichtstrahl 18 ist mit einem – beispielsweise sinusförmigen oder rechteckförmigen – Modulationssignal amplitudenmoduliert. Der Sendelichtstrahl 18 wird vom Lichtsender 17 auf den Rotorspiegel 16 gegeben, dort umgelenkt und in die Umgebung ausgesandt. Ein von einem Objekt O in der Umgebung reflektierter oder sonst irgendwie gestreuter Empfangslichtstrahl 20 wird vom Rotorspiegel 16 wieder eingefangen, umgelenkt und auf einen Lichtempfänger 21 gegeben. Die Richtung des Sendelichtstrahls 18 und des Empfangslichtstrahls 20 ergibt sich aus den Winkelstellungen des Rotorspiegels 16 und des Messkopfes 12, welche von den Stellungen ihrer jeweiligen Drehantriebe abhängen, die wiederum von jeweils einem Encoder erfasst werden.
  • Eine Steuer- und Auswertevorrichtung 22 steht mit dem Lichtsender 17 und dem Lichtempfänger 21 im Messkopf 12 in Datenverbindung, wobei Teile derselben auch außerhalb des Messkopfes 12 angeordnet sein können, beispielsweise als ein am Fuß 14 angeschlossener Computer. Die Steuer- und Auswertevorrichtung 22 ist dazu ausgebildet, für eine Vielzahl von Messpunkten X die Distanz d des Laserscanners 10 zu dem (beleuchteten Punkt am) Objekt O aus der Laufzeit des Sendelichtstrahls 18 und des Empfangslichtstrahls 20 zu ermitteln. Hierzu kann beispielsweise die Phasenverschiebung zwischen den beiden Lichtstrahlen 18, 20 bestimmt und ausgewertet werden.
  • Mittels der (schnellen) Drehung des Rotorspiegels 16 wird entlang einer Kreislinie abgetastet. Mittels der (langsamen) Drehung des Messkopfes 12 relativ zum Fuß 14 wird mit den Kreislinien nach und nach der gesamte Raum abgetastet. Die Gesamtheit der Messpunkte X einer solchen Messung sei als Scan bezeichnet. Das Zentrum C10 des Laserscanners 10 definiert für einen solchen Scan den Ursprung des lokalen stationären Bezugssystems. In diesem lokalen stationären Bezugssystem ruht der Fuß 14.
  • Jeder Messpunkt X umfasst außer der Distanz d zum Zentrums C10 des Laserscanners 10 als Wert noch eine Helligkeit, welche ebenfalls von der Steuer- und Auswertevorrichtung 22 ermittelt wird. Die Helligkeit ist ein Graustufenwert, welcher beispielsweise durch Integration des bandpass-gefilterten und verstärkten Signals des Lichtempfängers 21 über eine dem Messpunkt X zugeordnete Messperiode ermittelt wird. Optional können mittels einer Farbkamera noch Bilder erzeugt werden, mittels derer den Messpunkten noch Farben (R, G, B) als Wert zugeordnet werden können.
  • Der Laserscanner 10 ist mittels des Fußes 14 auf der Montageeinrichtung 9 und damit auf dem Träger 8 montiert. Zwischen dem Laserscanner 10 und dem Roboter 2 sind verschiedene Grade einer Vernetzung (bezüglich des Datenverkehrs) möglich, die in diesem System mittels der Kabel 8c und weiterer Kabel aufgebaut wird. So können der Horizontalscanner 5, die Zielverfolgungseinrichtung 7 und die Hubeinrichtung 8a an die Steuereinheit 6 angeschlossen und diese wiederum mit der Steuer- und Auswertevorrichtung 22 verbunden sein, oder die Zielverfolgungseinrichtung 7 ist abweichend davon an Steuer- und Auswertevorrichtung 22 angeschlossen, oder alle genannten Geräte sind in ein Netzwerk mit wechselseitigem Datenaustausch eingebunden. Es ist auch denkbar, dass die Funktion von Steuer- und Auswertevorrichtung 22 und Steuereinheit 6 von einem gemeinsamen Rechner erledigt werden. Theoretisch ist auch denkbar, dass die Funktion von Zielverfolgungseinrichtung 7 und/oder Horizontalscanner 5 vom Laserscanner 10 erledigt werden. Ins vernetzte System eingebunden sind auch Eingabemittel (und Mittel zur Überprüfung der Eingabe), die direkt an der Vorrichtung 1 (im Form von Bedienknöpfen, Tastaturen o.ä.) oder als Fernsteuerung (Smartphone o.ä.) vorgesehen sind. Schließlich ist innerhalb dieses vernetzten Systems für einen externen Datenzugriff ein Anschluss (oder mehrere Anschlüsse) für tragbare Speichermedien, beispielsweise SD-Karte, USB-Sticks o.ä. vorgesehen, oder es besteht eine Funkverbindung, beispielsweise mittels WLAN zu einem stationären Rechner zur Datenübertragung.
  • Die Vorrichtung 1 dient insbesondere dem autonomen Scannen von Räumen. Der Betrieb ist vorzugsweise in zwei Phasen unterteilt, eine Initialisierungsphase und einen Scanphase. Die Initialisierungsphase kann vollständig autonom sein (d.h. Roboter 2 erkundet seine Umgebung systematisch nach bestimmten Strategien), stochastisch (d.h. der Roboter 2 erkundet seine Umgebung mittels eines random walk) oder mittels Lernens erfolgen.
  • Im letztgenannten Fall kommt die Zielverfolgungseinrichtung 7 zum Einsatz. Eine Person wirkt als Lehrer und schreitet die zu scannenden Räume ab, entfernt gegebenenfalls Hindernisse oder öffnet Türen. Der Roboter 2 (und damit die gesamte Vorrichtung 1) folgt dem – vorzugsweise mit einem Target markierten – Lehrer mittels der Zielverfolgungseinrichtung 7. Dabei wird mittels des Horizontalscanners 5 (oder der alternativen Mittel) die 2D-Karte erstellt.
  • Alternativ lädt der Roboter 2 in der Initialisierungsphase die extern erstellte 2D-Karte.
  • In der Scanphase arbeitet die Vorrichtung 1 autonom, d.h. der Roboter 2 fährt autonom anhand der 2D-Karte durch die Räume. Zeitgleich oder zeitlich abwechselnd dazu tastet der Laserscanner 10 die Umgebung ab und vermisst sie, d.h. er erstellt (mehrere) 3D-Scans. Dies erfolgt beispielsweise im Sphären-Modus (spherical mode), d.h. der Roboter 2 steht während des Scans still und Spiegel 16 und Messkopf 12 drehen sich, oder im Helix-Modus (helical mode), d.h. der Messkopf 12 steht während des Scans still, der Spiegel 16 dreht sich und der Roboter 2 bewegt sich, oder in einem gemischten Modus (mixed mode), d.h. Messkopf 12 und Spiegel 16 drehen sich und der Roboter 2 bewegt sich.
  • Der höheneinstellbare Träger 8 ermöglicht nicht nur eine Anpassung an die zu scannenden Räume, sondern auch, an der gleichen Position auf der 2D-Karte mehrere 3D-Scans zu machen, beispielsweise unterhalb einer Tischplatte und oberhalb davon. Die jeweilige Höhe des Trägers 8 kann während der Initialisierungsphase – mittels der Eingabemittel oder mittels einer entsprechenden Bewegung des Lehrers – der 2D-Karte hinzugefügt werden.
  • Vorzugsweise wird – mittels geeigneter Mittel – die Position des Roboters 2 auf der 2D-Karte, welche in fester Relation zum Zentrum C10 des Laserscanners 10 steht, synchron (oder synchronisierbar) mit dem jeweiligen 3D-Scan gespeichert oder übertragen, beispielsweise durch eine interne Zusammenführung der Daten oder getrennt mit dem Vermerk der Zeit. Dies erleichtert (aufgrund eines verringerten Rechenaufwandes) die Registrierung, d.h. die Zusammenfassung aller 3D-Scans in einem gemeinsamen Koordinatensystem. Scans, die am gleichen Ort aufgenommen werden, beispielsweise aufgrund einer stochastischen Bewegung des Roboters 2 oder gezielt, schaffen Redundanzen in den Daten der 3D-Scans. Diese Redundanzen werden für eine Erhöhung der Genauigkeit genutzt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung
    2
    Roboter
    2a
    Plattform
    4
    Rad
    5
    Horizontalscanner
    6
    Steuereinheit
    7
    Zielverfolgungseinrichtung
    8
    Träger
    8a
    Hubeinrichtung
    8b
    Teleskoprohr
    8c
    Kabel
    9
    Montageeinrichtung
    10
    Laserscanner
    12
    Messkopf
    14
    Fuß
    16
    Spiegel
    17
    Lichtsender
    18
    Sendelichtstrahl
    20
    Empfangslichtstrahl
    21
    Lichtempfänger
    22
    Steuer- und Auswertevorrichtung
    C10
    Zentrum des Laserscanners
    O
    Objekt
    X
    Messpunkt
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (10)

  1. Vorrichtung zum optischen Abtasten und Vermessen einer Umgebung, die mobil ausgebildet ist und einen Laserscanner (10) oder dergleichen aufweist, welcher 3D-Scans erstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen autonom fahrenden Roboter (2) aufweist, auf welchem der Laserscanner(10) oder dergleichen montiert ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter (2) Mittel, insbesondere einen Horizontalscanner (5), aufweist, um eine 2D-Karte für das autonome Fahren des Roboters (2) zu erstellen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in einer Scanphase der Laserscanner (10) die 3D-Scans erstellt, während – zeitgleich oder/und zeitlich abwechselnd – der Roboter (2) anhand der 2D-Karte autonom fährt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um die 3D-Scans des Laserscanners und die jeweils momentanen Positionen des Roboters (2) auf der 2D-Karte synchron oder synchronisierbar zu speichern oder zu übertragen
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter (2) eine Zielverfolgungseinrichtung (7) aufweist, um wenigstens in einer Initialisierungsphase einem Lehrer zu folgen.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass der Laserscanner (10) und der Roboter (2) miteinander vernetzt sind, insbesondere eine Steuer- und Auswertevorrichtung (22) des Laserscanners (10) und eine Steuereinheit (6) des Roboters (2) und/oder ein Horizontalscanner (5) und/oder eine Zielverfolgungseinrichtung (7) in ein Netzwerk mit wechselseitigem Datenaustausch eingebunden sind.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserscanner (10) mittels eines insbesondere höheneinstellbaren Trägers (8) auf dem Roboter (2) montiert ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserscanner (10) einen Fuß (14), einen relativ zum Fuß (14) drehbaren Messkopf (12) und einen relativ zum Messkopf (12) drehbaren Spiegel (16) aufweist, wobei im Messkopf (12) ein Lichtsender (17), der einen Sendelichtstrahl (18) aussendet, welchen der Spiegel (16) in die Umgebung umlenkt, und ein Lichtempfänger (21) vorgesehen ist, der einen von einem Objekt (O) in der Umgebung des Laserscanners (10) reflektierten oder sonst irgendwie gestreuten und vom Spiegel (16) umgelenkten Empfangslichtstrahl (20) empfängt, und wobei eine Steuer- und Auswertevorrichtung (22) für eine Vielzahl von Messpunkten (X) jeweils wenigstens die Distanz zum Objekt (O) ermittelt.
  9. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Initialisierungsphase der Roboter (2) eine 2D-Karte erstellt oder lädt, und in einer Scanphase der Roboter (2) anhand der 2D-Karte autonom fährt und der Laserscanner (10) die 3D-Scans erstellt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter (2) die 2D-Karte mittels eines strategischen oder stochastischen Vorgehens oder mittels Lernens erstellt.
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