用于確定對象的取向的方法和裝置的制造方法
【專利說明】用于確定對象的取向的方法和裝置
[0001]本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的一種用于激光跟蹤儀以及利用激光跟蹤儀確定對象的取向的方法、根據(jù)權(quán)利要求11所述的具有對應(yīng)功能的激光跟蹤儀以及根據(jù)權(quán)利要求15所述的計算機程序產(chǎn)品。
[0002]為了連續(xù)跟蹤目標點并確定該點的坐標位置而實現(xiàn)的測量裝置通?？?特別是與工業(yè)測繪結(jié)合)總稱為術(shù)語激光跟蹤儀。在這種情況下，目標點可通過回射單元(例如，立方棱鏡)來表示，利用測量裝置的光學(xué)測量光束(特別是激光束)來瞄準該回射單元。激光束被平行地反射回測量裝置，在測量裝置中利用裝置的捕獲單元來捕獲反射光束。在這種情況下，例如，利用用于角度測量的傳感器來確定光束的發(fā)射或接收方向，所述傳感器與系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)反射鏡或瞄準單元關(guān)聯(lián)。另外，例如，利用運行時間或相位差測量或者利用斐索(Fizeau)原理，通過光束的捕獲來確定從測量裝置到目標點的距離。
[0003]另外，在現(xiàn)代跟蹤儀系統(tǒng)中，在傳感器上確定接收的測量激光束相對于所謂的伺服監(jiān)測點的偏離(越來越成為標準特征)。利用這種可測量的偏離，可確定回射器的中心與激光束在反射器上的入射點之間的位置差，并且可根據(jù)此偏離來校正或跟蹤激光束的對準，使得傳感器上的偏離減小(特別是為“零”)，因此光束對準反射器中心的方向。通過跟蹤激光束對準，可執(zhí)行目標點的連續(xù)目標跟蹤(跟蹤)，并且可連續(xù)確定目標點相對于跟蹤儀系統(tǒng)的距離和位置。在這種情況下，可利用偏轉(zhuǎn)反射鏡(可通過電機來移動，設(shè)置用于使激光束偏轉(zhuǎn))的對準變化和/或通過瞄準單元(具有光束引導(dǎo)激光光學(xué)器件)的樞轉(zhuǎn)來實現(xiàn)跟蹤。
[0004]在所描述的目標跟蹤之前必須將激光束鎖定在反射器上。為此，在跟蹤儀上可另外布置具有位置敏感傳感器并且具有相對大的視野的捕獲單元。另外，在所討論的類型的裝置中，集成有附加照明裝置，利用該附加照明裝置來對目標或反射器進行照明，特別是利用與距離測量裝置的波長不同的限定波長。在這種情況下傳感器可被實現(xiàn)為對該特定波長左右的范圍敏感，(例如)以減小或完全防止外部光影響。利用該照明裝置，可對目標進行照明，并且利用相機，可捕獲具有被照明的反射器的目標的圖像。通過描繪傳感器上的特定(波長特定)反射，可分辨出圖像中的反射位置，因此可確定相對于相機的捕獲方向以及朝目標或反射器的方向的角度。具有這種目標搜索單元的激光跟蹤儀的實施方式可從例如WO2010/148525 Al 了解。根據(jù)這樣可推導(dǎo)的方向信息，測量激光束的對準可改變，使得激光束與激光束將要鎖定到其上的反射器之間的距離減小。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)的激光跟蹤儀具有至少一個用于距離測量的測距儀，其中，所述測距儀可被實現(xiàn)為例如干涉儀。由于這些距離測量單元僅可測量相對距離變化，所以在目前的激光跟蹤儀中除了干涉儀以外還安裝了所謂的絕對距離測量儀。例如，用于距離確定的測量裝置的這種組合可通過萊卡測量系統(tǒng)有限公司(Leica Geosystems AG)的產(chǎn)品AT901來了解。另外，使用HeNe激光器進行距離確定的絕對距離測量儀和干涉儀的組合可從(例如)WO 2007/079600 Al 了解。
[0006]根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的激光跟蹤儀可另外具體實現(xiàn)為具有光學(xué)圖像捕獲單元，該光學(xué)圖像捕獲單元具有二維感光陣列(例如，CCD或CID相機或者基于CMOS陣列的相機)或者具有像素陣列傳感器并且具有圖像處理單元。在這種情況下，激光跟蹤儀和相機可一個疊另一個地安裝，特別是按照其相對于彼此的位置不可變化的方式安裝。例如，相機可隨激光跟蹤儀一起繞其基本上垂直的軸旋轉(zhuǎn)，但是可獨立于激光跟蹤儀上下樞轉(zhuǎn)，因此與特別是激光束的光學(xué)器件分離地布置。另外，相機(例如，依賴于相應(yīng)應(yīng)用)可被具體實現(xiàn)為僅可繞一個軸樞轉(zhuǎn)。在另選實施方式中，相機可隨激光光學(xué)器件一起按照集成構(gòu)造安裝在共享的殼體中。
[0007]通過所謂的測量輔助儀器或者帶有標記(其彼此的相對位置已知)的測量輔助對象的圖像的捕獲和分析(利用圖像捕獲和圖像處理單元)，可推斷儀器和布置在測量輔助儀器上的對象(例如，探針)在空間中的取向。隨所確定的目標點的空間位置一起，另外可精確地確定對象在空間中的絕對位置和取向和/或相對于激光跟蹤儀的位置和取向(6DoF確定:六自由度的確定)。
[0008]這些測量輔助儀器可通過所謂的掃描工具來具體實現(xiàn)，所述掃描工具被定位成使得其接觸點在目標對象的點上。掃描工具具有標記(例如，發(fā)光二極管(LED))和反射器(表示掃描工具上的目標點)并且可利用跟蹤儀的激光束來瞄準，其中，標記和反射器相對于掃描工具的接觸點的位置是精確已知的。按照本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方式，測量輔助對象也可以是為距離測量(例如，為無接觸表面測繪)配備的手持掃描儀，其中，用于距離測量的掃描儀測量光束相對于布置在掃描儀上的發(fā)光二極管和反射器的方向和位置是精確已知的。這種掃描儀在(例如)EP 0553266中有所描述。
[0009]利用具有捕獲的并且良好(即，特別是完整)成像的發(fā)光二極管的圖像以及(優(yōu)選地)對象上的發(fā)光二極管的已知布置方式來可靠地確定測量輔助對象的空間取向(6DoF測量)?？衫脠D像分析從其推導(dǎo)測量輔助對象在空間中的取向。
[0010]在這種6DoF測量中，借助于已知的幾何學(xué)并且利用相機的內(nèi)部取向的知識來計算空間后方交會(spatial resect1n)，并且從其確定測量輔助對象的取向。然而，如果各個LED對于相機而言至少部分地不可見，則空間后方交會的結(jié)果變得不太精確(S卩，隨機測量不確定性增加)。
[0011 ] 如果一個或更多個LED被部分地隱藏，則出現(xiàn)特別不利的情況，使得對于相應(yīng)LED的光斑，在捕獲的圖像中計算的圖像坐標系統(tǒng)性地劣化。結(jié)果，隨著各個圖像坐標的劣化，后方交會的結(jié)果以及因此測量輔助對象的空間取向的確定系統(tǒng)性地劣化。
[0012]因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于減小或防止上述測量誤差的改進的方法和改進的裝置。
[0013]本發(fā)明的特殊目的是提供一種改進的激光跟蹤儀，其利用在對象的圖像中捕獲的光斑的分析來更可靠地確定對象的取向，特別是其中，減小并防止了在光斑至少部分地隱藏的情況下出現(xiàn)的測量誤差。
[0014]這些目的通過實現(xiàn)獨立權(quán)利要求的特征來實現(xiàn)?？蓮膹膶贆?quán)利要求推知以替代或有利方式拓展本發(fā)明的特征。
[0015]本發(fā)明涉及一種用于激光跟蹤儀以及利用激光跟蹤儀確定測量輔助對象的空間取向的方法，該測量輔助對象具有按照限定的空間關(guān)系附接并提供光斑的基準特征。激光跟蹤儀具有:基座，其限定豎直軸；支撐件，其可通過電機相對于基座繞豎直軸樞轉(zhuǎn)；樞轉(zhuǎn)單元，其可通過電機相對于支撐件繞傾斜軸旋轉(zhuǎn)，并具有用于捕獲光斑的圖像的圖像捕獲單元；以及輻射源，其用于發(fā)射激光束。另外，提供利用激光束測量到測量輔助對象的距離的距離測量單元以及確定激光束相對于基座的發(fā)射方向的角度測量功能。
[0016]在根據(jù)本發(fā)明的方法的范圍內(nèi)，在測量輔助對象的方向上捕獲具有光斑的圖像，所述光斑可各自根據(jù)至少一個位置和/或測量輔助對象的對準來捕獲，并且利用圖像分析從圖像中捕獲的光斑在圖像中的圖像位置來推導(dǎo)測量輔助對象的空間取向。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，針對圖像分析限定關(guān)于圖像中的各個光斑的外觀的局部考慮標準，或者針對圖像分析限定關(guān)于圖像中的多個光斑之間的位置關(guān)系的全局考慮標準。另外，針對圖像中捕獲的至少一個光斑執(zhí)行是否滿足局部或全局考慮標準的檢查(特別是通過將捕獲的圖像中針對所述至少一個捕獲的光斑呈現(xiàn)的圖像信息項與局部或全局考慮標準進行比較)。如果不滿足(局部或全局)考慮標準，則對于空間取向的推導(dǎo)，圖像中捕獲的所述至少一個光斑被以縮減形式加權(quán)，特別是被排除。
[0018]S卩，檢查圖像中針對一個或更多個光斑呈現(xiàn)的特性是否對應(yīng)于一個或更多個光斑的設(shè)定點特性，并且基于該檢查，為取向確定推斷光斑的考慮或縮減加權(quán)(尤其是不考慮)。
[0019]基準特征可被特別是實現(xiàn)為發(fā)射特定波長范圍內(nèi)的光(特別是發(fā)射紅外光)的發(fā)光二極管(LED)。
[0020]與根據(jù)本發(fā)明的方法的特定實施方式對應(yīng)，局部考慮標準限定圖像中的至少一個光斑的外觀的至少一個圖像屬性，特別是限定設(shè)定點形狀和/或設(shè)定點空間延伸和/或設(shè)定點亮度分布和/或設(shè)定點總強度和/或設(shè)定點對比度作為圖像基準。
[0021]在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明的典型實施方式，是否滿足局部考慮標準的檢查基于圖像中的(各個)LED描繪(或者基準特征的描繪)的各個觀測來進行。為此，不需要知道測量輔助對象上的LED的相對空間布置方式。
[0022]在這種情況下為了標識被部分覆蓋的LED，使用描繪相對于基準或標準(=考慮標準)的偏離。從光學(xué)計算獲得的理想描繪或者提供的基準特征的實驗值可用作所述基準或標準。
[0023]根據(jù)此實施方式的方法能夠與圖像中的成像的LED的總數(shù)無關(guān)地應(yīng)用，因此適用于單個LED。另外，不需要知道相機的取向。
[0024]特別是，在這種情況下，可針對測量輔助對象(例如，測量探測器)與相機之間的可能距離，并且還針對可以想到的測量輔助對象相對于相機的取向，來存儲理想描繪，其中，這些理想描繪可表示特別是從真實觀測確定的“經(jīng)驗值”。
[0025]尤其是，在這種情況下，圖像中的LED的描繪通過例如像素數(shù)、最大亮度(最亮像素)、總強度(所有灰度值的總計)、形狀和/或輪廓(例如，基于LED的有源區(qū)域的形狀或者無源目標標志的輪廓以及光學(xué)計算)、圖像內(nèi)的亮度分布(單色或光譜)和/或圖像銳度的圖像屬性來表征。如果一個或更多個屬性偏離于基準值或者標準值，則這可被識別并且可以是相應(yīng)LED局部隱藏的指示。
[0026]特別是，關(guān)于圖像中的LED的光斑的亮度分布的評估，可重復(fù)地計算LED的該描繪的圖像坐標，其中，改變各個參數(shù)，并且使用因此導(dǎo)致的圖像坐標的組內(nèi)的偏離作為相對于預(yù)期亮度分布的偏離的標準。
[0027]用于此目的的參數(shù)變量是(例如)亮度閾值(閾值)、暗幀減影(偏移)、焦點計算方法(例如，二元、線性或平方焦點)、曝光時間和/或根據(jù)彼此分離的各個像素顏色的焦點計算。
[0028]關(guān)于全局或局部考慮標準的限定或建立，可根據(jù)本發(fā)明特別是從捕獲的圖像，特別是從圖像中的光斑的相應(yīng)圖形描繪，特別是從光斑的相應(yīng)圖形描繪的比較，來推導(dǎo)此考慮標準(除了在激光跟蹤儀的數(shù)據(jù)庫中提供該標準，另選地或另外地)。
[0029]在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明的檢查基準特征在圖像捕獲期間是否部分隱藏地設(shè)置的另一實施方式涉及比較圖像中捕獲的所有基準特