具有角掃描速度的動(dòng)態(tài)調(diào)整的激光掃描儀的制作方法
【專利說(shuō)明】
【背景技術(shù)】
[0001]本文中所公開(kāi)的主題涉及激光掃描儀，并且具體地，涉及能夠基于表面幾何形狀的特性改變測(cè)量表面點(diǎn)的密度的激光掃描儀。
[0002]激光掃描儀是利用相干光源來(lái)測(cè)量和確定對(duì)象上的點(diǎn)的三維坐標(biāo)的一種裝置。激光掃描儀通常用于掃描封閉空間或開(kāi)放空間(例如建筑物、工業(yè)設(shè)施和隧道的內(nèi)部區(qū)域)。激光掃描儀可以用于多種用途，包括工業(yè)應(yīng)用和事故再現(xiàn)應(yīng)用。激光掃描儀可以用于通過(guò)獲取表示體積內(nèi)的對(duì)象的表面點(diǎn)來(lái)光學(xué)掃描和測(cè)量掃描儀周圍的體積中的對(duì)象。通過(guò)將光束傳送到對(duì)象上并且采集反射光或散射光以確定距離、兩個(gè)角(即方位角和天頂角)以及可選的灰度值來(lái)獲得這種表面點(diǎn)。原始掃描數(shù)據(jù)被采集、存儲(chǔ)并且發(fā)送至一個(gè)或更多個(gè)處理器以生成表示掃描區(qū)域或?qū)ο蟮娜S坐標(biāo)和圖像。為了生成圖像，對(duì)于每個(gè)表面點(diǎn)采集至少三個(gè)值。這三個(gè)值可以包括距離和兩個(gè)角，或者可以是變換值，如x、y、z坐標(biāo)。
[0003]一些現(xiàn)代的激光掃描儀還可以包括相機(jī)，相機(jī)被安裝到激光掃描儀上或集成到激光掃描儀中，用來(lái)收集環(huán)境的相機(jī)數(shù)字圖像并且用來(lái)向操作者呈現(xiàn)相機(jī)數(shù)字圖像。通過(guò)查看相機(jī)圖像，操作者可以確定被測(cè)體積的范圍，并且對(duì)激光掃描儀的設(shè)置進(jìn)行調(diào)整以對(duì)空間的較大區(qū)域或較小區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。此外，可以將相機(jī)數(shù)字圖像發(fā)送給處理器以對(duì)掃描儀圖像添加顏色。為了生成彩色掃描儀圖像，對(duì)于每個(gè)表面點(diǎn)采集至少六個(gè)值(三個(gè)位置值，例如X、y、z ;以及顏色值，例如紅色值，綠色值和藍(lán)色值或“RGB”)。
[0004]應(yīng)理解，通過(guò)激光掃描儀獲取表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)可以導(dǎo)致包括數(shù)百萬(wàn)表面點(diǎn)的大體積數(shù)據(jù)。為了充分地表示掃描體積內(nèi)的對(duì)象或表面，這些表面點(diǎn)中的許多表面點(diǎn)是不需要的。在后處理期間可以刪除一些無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)。然而，在操作期間獲取的無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)會(huì)占據(jù)掃描儀的本地存儲(chǔ)裝置中的大量存儲(chǔ)空間。
[0005]此外，在采集的3D測(cè)量值的分辨率與掃描速度之間存在權(quán)衡?？梢栽谳^短時(shí)間內(nèi)采用較低分辨率來(lái)測(cè)量空間的給定區(qū)域，或者在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)采用較高分辨率來(lái)測(cè)量空間的相同區(qū)域。根據(jù)被測(cè)對(duì)象的細(xì)節(jié)、表面輪廓的相對(duì)變化率、掃描儀數(shù)據(jù)中噪聲量和相應(yīng)所需的過(guò)濾量以及被測(cè)對(duì)象的特性和大小來(lái)確定時(shí)間與分辨率。如今，通過(guò)以從掃描儀發(fā)送至檢測(cè)對(duì)象的光束的固定角速度來(lái)采集數(shù)據(jù)以對(duì)激光掃描儀進(jìn)行操作。稍后將采集數(shù)據(jù)，并且如果需要更高的分辨率則進(jìn)行附加掃描。
[0006]因此，盡管現(xiàn)有的激光掃描儀適于其預(yù)期目的，但是需要的是能夠基于考量如掃描體積內(nèi)測(cè)量的幾何特征的特性來(lái)動(dòng)態(tài)地適應(yīng)獲取的掃描速度和表面點(diǎn)獲取的密度的激光掃描儀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種在測(cè)量表面的三維(3D)坐標(biāo)過(guò)程中動(dòng)態(tài)地調(diào)整由掃描儀發(fā)射的光束的角速度的方法。該方法包括設(shè)置掃描儀，該掃描儀具有光源、反射鏡、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第一角度測(cè)量裝置、第二角度測(cè)量裝置、測(cè)距儀和處理器，光源發(fā)射光束，第一電機(jī)使反射鏡繞第一軸線旋轉(zhuǎn)，第二電機(jī)使反射鏡繞第二軸線旋轉(zhuǎn)，反射鏡具有鏡面，第一軸線和第二軸線在鏡面處的第一坐標(biāo)系的原點(diǎn)處相交，其中，光束從光源朝向原點(diǎn)發(fā)送，光束從鏡面反射至表面、從表面向鏡面處的原點(diǎn)反射出去、以及從鏡面反射至接收器，以及其中，第一角度測(cè)量裝置對(duì)繞第一軸線的第一旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行測(cè)量，第二角度測(cè)量裝置對(duì)繞第二軸線的第二旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行測(cè)量，以及測(cè)距儀至少部分地基于光束在空氣中的速度對(duì)距離進(jìn)行測(cè)量；使用處理器設(shè)置第一軸線的選定的第一角速度和第二軸線的選定的第二角速度，選定的第一角速度等于初始第一角速度，選定的第二角速度等于初始第二角速度；使用光源發(fā)射光束；通過(guò)針對(duì)表面上的多個(gè)第一點(diǎn)中的每個(gè)第一點(diǎn)執(zhí)行一次下述步驟獲得與所述多個(gè)第一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的多個(gè)3D坐標(biāo)，所述步驟包括:
[0008]使用第一電機(jī)和第二電機(jī)以選定的第一角速度和選定的第二角速度移動(dòng)光束，以及作為響應(yīng)，使表面與光束在多個(gè)第一點(diǎn)中的一個(gè)第一點(diǎn)處相交；
[0009]使用第一角度測(cè)量裝置測(cè)量第一旋轉(zhuǎn)角度；
[0010]使用第二角度測(cè)量裝置測(cè)量第二旋轉(zhuǎn)角度；
[0011]使用測(cè)距儀測(cè)量第一距離；
[0012]使用處理器至少部分地基于第一旋轉(zhuǎn)角度、第二旋轉(zhuǎn)角度和第一距離來(lái)確定多個(gè)第一點(diǎn)中的一個(gè)第一點(diǎn)的3D坐標(biāo)；
[0013]使用處理器至少部分地基于測(cè)量出的第一距離的一部分來(lái)計(jì)算質(zhì)量測(cè)量；
[0014]使用處理器至少部分地基于質(zhì)量測(cè)量設(shè)置選定的第一角速度和選定的第二角速度；以及
[0015]存儲(chǔ)多個(gè)第一點(diǎn)的3D坐標(biāo)。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種在測(cè)量表面的三維(3D)坐標(biāo)過(guò)程中動(dòng)態(tài)地調(diào)整由掃描儀發(fā)射的光束的角速度的方法，該方法包括:
[0017]設(shè)置掃描儀，該掃描儀具有光源、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第一角度測(cè)量裝置、第二角度測(cè)量裝置、測(cè)距儀和處理器，其中光源發(fā)射光束，第一電機(jī)使第一光束繞第一軸線旋轉(zhuǎn)，第二電機(jī)使光束繞第二軸線旋轉(zhuǎn)，第一角度測(cè)量裝置對(duì)繞第一軸線的第一旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行測(cè)量，第二角度測(cè)量裝置對(duì)繞第二軸線的第二旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)距儀至少部分地基于光束在空氣中的速度對(duì)距離進(jìn)行測(cè)量；選擇選定的測(cè)量路徑，該選定的測(cè)量路徑是角度對(duì)的集合，所述角度對(duì)包括開(kāi)始角度對(duì)、結(jié)束角度對(duì)以及多個(gè)中間角度對(duì)，角度對(duì)中的每個(gè)角度對(duì)包括第一期望角度和第二期望角度，第一期望角度與第一旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)以及第二期望角度與第二旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)；使用處理器設(shè)置選定的角速度等于初始角速度；在選定的測(cè)量路徑中通過(guò)針對(duì)表面上的多個(gè)第一點(diǎn)中的每個(gè)第一點(diǎn)執(zhí)行一次下述步驟獲得與所述多個(gè)第一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的多個(gè)3D坐標(biāo)，所述步驟包括:
[0018]使用光源發(fā)射光束；
[0019]使用第一電機(jī)和第二電機(jī)沿著選定的測(cè)量路徑以選定的角速度移動(dòng)光束，以及作為響應(yīng)，使表面與光束在多個(gè)第一點(diǎn)中的一個(gè)第一點(diǎn)處相交；
[0020]使用第一角度測(cè)量裝置測(cè)量第一旋轉(zhuǎn)角度；
[0021]使用第二角度測(cè)量裝置測(cè)量第二旋轉(zhuǎn)角度；
[0022]使用測(cè)距儀測(cè)量第一距離；
[0023]使用處理器至少部分地基于第一旋轉(zhuǎn)角度、第二旋轉(zhuǎn)角度和第一距離來(lái)確定多個(gè)第一點(diǎn)中的一個(gè)第一點(diǎn)的3D坐標(biāo)；
[0024]使用處理器至少部分地基于測(cè)量出的第一距離的一部分來(lái)計(jì)算質(zhì)量測(cè)量；
[0025]使用處理器至少部分地基于質(zhì)量測(cè)量來(lái)設(shè)置選定的角速度；以及
[0026]存儲(chǔ)多個(gè)第一點(diǎn)的3D坐標(biāo)。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種通過(guò)掃描儀動(dòng)態(tài)地調(diào)整用于獲得表面的三維(3D)坐標(biāo)的獲取速率的方法，該方法包括:設(shè)置掃描儀，該掃描儀具有光源、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第一角度測(cè)量裝置、第二角度測(cè)量裝置、測(cè)距儀和處理器，其中光源發(fā)射光束，第一電機(jī)使第一光束繞第一軸線旋轉(zhuǎn)，第二電機(jī)使光束繞第二軸線旋轉(zhuǎn)，第一角度測(cè)量裝置對(duì)繞第一軸線的第一旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行測(cè)量，第二角度測(cè)量裝置對(duì)繞第二軸線的第二旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)距儀至少部分地基于光束在空氣中的速度對(duì)距離進(jìn)行測(cè)量；選擇選定的測(cè)量路徑，該選定的測(cè)量路徑是角度對(duì)的集合，所述角度對(duì)包括開(kāi)始角度對(duì)、結(jié)束角度對(duì)以及多個(gè)中間角度對(duì)，所述角度對(duì)中的每個(gè)角度對(duì)包括第一期望角度和第二期望角度，第一期望角度與第一旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)以及第二期望角度與第二旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)；使用處理器將選定的3D坐標(biāo)獲取速率設(shè)置成初始3D坐標(biāo)獲取速率；在選定的測(cè)量路徑中通過(guò)針對(duì)表面上的多個(gè)第一點(diǎn)中的每個(gè)第一點(diǎn)執(zhí)行一次下述步驟獲得與所述多個(gè)第一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的多個(gè)3D坐標(biāo)，所述步驟包括:
[0028]使用光源發(fā)射光束；
[0029]使用第一電機(jī)和第二電機(jī)沿著選定的測(cè)量路徑移動(dòng)光束，以及作為響應(yīng)，使表面與光束在多個(gè)第一點(diǎn)中的一個(gè)第一點(diǎn)處相交；
[0030]使用第一角度測(cè)量裝置測(cè)量第一旋轉(zhuǎn)角度；
[0031]使用第二角度測(cè)量裝置測(cè)量第二旋轉(zhuǎn)角度；
[0032]使用測(cè)距儀測(cè)量第一距離；
[0033]使用處理器至少部分地基于第一角度、第二角度和第一距離確定多個(gè)第一點(diǎn)中的一個(gè)第一點(diǎn)的3D坐標(biāo)，以與選定的3D坐標(biāo)獲取速率對(duì)應(yīng)的次數(shù)執(zhí)行的3D坐標(biāo)的確定；
[0034]使用處理器至少部分地基于測(cè)量出的第一距離的一部分來(lái)計(jì)算質(zhì)量測(cè)量；
[0035]使用處理器至少部分地基于質(zhì)量測(cè)量設(shè)置選定的3D坐標(biāo)來(lái)獲取速率；以及
[0036]存儲(chǔ)多個(gè)第一點(diǎn)的3D坐標(biāo)。
[0037]根據(jù)結(jié)合附圖的下述說(shuō)明，這些和其他優(yōu)點(diǎn)和特征變得更加明顯。
【附圖說(shuō)明】
[0038]在說(shuō)明書的結(jié)論部分處的權(quán)利要求書中的權(quán)益特別地指出和清楚地聲明了被視為本發(fā)明的主題。根據(jù)結(jié)合附圖的以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述和其他特征和優(yōu)點(diǎn)是明顯的，在附圖中:
[0039]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的激光掃描儀的立體圖；
[0040]圖2是圖1中的激光掃描儀的側(cè)面立體圖；
[0041]圖3是圖1中的激光掃描儀的仰視圖；
[0042]圖4是圖1中的對(duì)體積進(jìn)行光學(xué)掃描和測(cè)量的激光掃描儀的示意圖；
[0043]圖5是圖1中的激光掃描儀控制系統(tǒng)的框圖；
[0044]圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的圖1中的激光掃描儀的包括由操作者使用的觸摸屏的用戶接口屏幕的圖示；
[0045]圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的使用可變表面點(diǎn)密度來(lái)測(cè)量體積的處理的流程圖；
[0046]圖8是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的使用可變表面點(diǎn)密度來(lái)測(cè)量體積的處理的流程圖；
[0047]圖9是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的使用可變表面點(diǎn)密度來(lái)測(cè)量體積的另一處理的流程圖；
[0048]圖10是具有包括高信息量分布的區(qū)域和包括低信息量的區(qū)域的掃描體積的圖示;
[0049]圖11是圖1中的具有繞方位軸線的可變速度的激光掃描儀的俯視示意圖；
[0050]圖12是圖1中的具有繞天頂軸線的可變反射鏡速度的激光掃描儀的側(cè)視示意圖；
[0051]圖13是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的具有檢流計(jì)鏡裝置的非接觸式距離測(cè)量裝置的不意圖；以及
[0052]圖14是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的具有微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)反射鏡的非接觸式距離測(cè)量裝置的示意圖。
[0053]【具體實(shí)施方式】部分參照附圖以示例的方式說(shuō)明了本發(fā)明的實(shí)施方式、優(yōu)點(diǎn)和特征。
【具體實(shí)施方式】
[0054]本發(fā)明的實(shí)施方式提供了當(dāng)具有可變表面點(diǎn)密度或可變掃描速度或者兩者都具有時(shí)可以獲取掃描體積中的表面點(diǎn)的三維(3D)坐標(biāo)的數(shù)據(jù)的激光掃描儀裝置。本發(fā)明的實(shí)施方式提供了以下優(yōu)點(diǎn):減小當(dāng)獲取表面點(diǎn)的3D坐標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)所需的本地存儲(chǔ)量。本發(fā)明的實(shí)施方式提供了以下優(yōu)點(diǎn):減少完成測(cè)量的時(shí)間、以圖形方式顯示所獲取的數(shù)據(jù)圖像的時(shí)間以及用來(lái)存儲(chǔ)3D數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。在一個(gè)實(shí)施方式中，基于根據(jù)品質(zhì)因數(shù)對(duì)采集距離的評(píng)估動(dòng)態(tài)地改變發(fā)送至3D測(cè)量表面的光束的角速度，其中品質(zhì)因數(shù)可以取決于文中所討論的各種因素。在一個(gè)實(shí)施方式中，掃描儀包括繞第一軸線和第二軸線旋轉(zhuǎn)的反射鏡，其中至少部分地基于根據(jù)品質(zhì)因數(shù)測(cè)量的距離來(lái)動(dòng)態(tài)地調(diào)整繞第一軸線和第二軸線的掃描速率。
[0055]在另一實(shí)施方式中，向掃描儀提供選定的測(cè)量路徑并且根據(jù)品質(zhì)因數(shù)至少部分地基于在測(cè)量期間由掃描儀沿著路徑所采集的距離測(cè)量來(lái)動(dòng)態(tài)地調(diào)整沿著路徑運(yùn)動(dòng)的角速度。在另一實(shí)施方式中，向掃描儀