带有惯性测量单元的基于激光跟踪仪的测量系统的制作方法

1.本发明涉及一种基于激光跟踪仪的测量系统，该测量系统具有测量辅助装置和用于检测和跟踪该测量辅助装置的测量辅助检测单元。该测量系统被配置成确定借助该测量辅助装置所扫描的表面点的坐标。


背景技术：

2.在物体测量技术中已知有不同的测量系统用于确定物体表面的待测点、即所谓的表面点的3d坐标。每个系统都基于特定测量辅助装置的使用，其具有测量头/传感器并借此扫描物体表面。在此，测量任务且特别是其所限定的对测量精度/测量速度的要求基本规定了对测量辅助装置的选择。存在触觉或非接触扫描或者触觉和非接触扫描的测量辅助装置。触觉扫描的测量辅助装置例如具有针形测量触头，其一端安装有红宝石球。使红宝石球与物体表面的待测点接触并基于此由测量系统确定该点的3d坐标。非接触扫描的测量辅助装置如激光扫描仪具有用于发射检测辐射的辐射源，其中，物体表面的待测点被检测辐射照射并且检测辐射被照射点被反射，并且基于此由测量系统确定该点的3d坐标。
3.这种触觉扫描和/或非接触扫描的测量辅助装置例如可以与坐标测量机(cmm)、自动引导的运动链或机械臂结合使用，或者可以为此被设计为由使用者手控操纵。
4.对于表面扫描点的3d坐标的高精度确定，测量辅助装置的位置和通常取向的高精度确定极其有意义。


技术实现要素：

5.因此，本发明的一个任务是提供一种允许高度精确地确定表面待测点的3d坐标的测量系统。
6.本发明的另一个任务是提供一种可灵活使用的测量系统，例如其中该测量辅助装置可以是机器操控的和/或手控操纵的并允许高效测量表面点。
7.本发明的另一个任务是提供一种允许简单直观操作的测量系统。
8.根据本发明的测量系统基于激光跟踪器并被设计成基于激光跟踪器确定表面待测点的坐标、特别是3d坐标。
9.为此，根据本发明的测量系统具有用于扫描表面待测点的测量辅助装置，该测量辅助装置尤其是激光扫描仪。
10.所述测量辅助装置具有用于确定该测量辅助装置的运动数据的惯性测量单元(imu)、反射器和多个测量辅助标记，其中，所述多个测量辅助标记以一定的相互位置关系且形成图案地布置在该测量辅助装置上，从而可以通过测量系统借助反射器来确定该测量辅助装置的位置并可以借助所述测量辅助标记或借助所述图案来确定该测量辅助装置的取向。
11.此外，该测量系统具有测距模块、用于方向可变地发射检测辐射的辐射模块以及可对准方向的、可与测量辅助装置通信连接且具有检测视野的测量辅助检测单元。
12.在此，该测量辅助检测单元被配置用于基于由反射器反射的检测辐射检测并跟踪该测量辅助装置、检测该测量辅助标记、并基于测量辅助装置的检测和跟踪、测量辅助标记的检测、用测距模块确定的距测量辅助装置的距离和测量辅助装置扫描表面待测点来确定表面待测点的坐标。
13.在此，该测量辅助检测单元还被配置成基于由imu确定的测量辅助装置的运动数据确定表面待测点的坐标。
14.此外，该测量系统还被配置成基于由imu确定的测量辅助装置的运动数据来对准该测量辅助检测单元，使得反射器在检测视野内。
15.该测量辅助装置可以例如是激光扫描仪，其借助检测辐射非接触扫描表面待测点。基于三角测量原理，激光扫描仪例如可测量该测量辅助装置距表面待测点的距离。该测量辅助装置也可以是测量该测量辅助装置距表面待测点的距离的白光扫描仪。该测量辅助装置也可以是非扫描性测量辅助装置以用于非接触测量该测量辅助装置距表面待测点的距离。
16.该测量辅助装置也可以是触觉扫描式测量辅助装置，其中使该测量辅助装置的至少一部分与表面待测点接触以便进行测量。通过使之接触，可以确定待测点的坐标。
17.惯性测量单元(imu)被设计用于确定在测量辅助装置运动时的运动数据，该运动数据使得能够立体描述该测量辅助装置的运动。该运动数据例如可能涉及该测量辅助装置的位置和/或该测量辅助装置的空间取向。通常，imu为此具有多个加速度传感器和偏航率传感器。基于该运动数据，例如可以在最多三个自由度中确定该测量辅助装置的取向。
18.反射器可以是后向反射器。该反射器、特别是后向反射器被设计成将入射于其上的检测辐射反射向辐射源。由反射器反射的检测辐射可以让如激光跟踪器的测量辅助检测单元确定该测量辅助装置的位置
19.例如该反射器可被激光跟踪器的激光辐射照射，该激光辐射接着被反射器反射向激光跟踪器。基于对所反射的激光辐射的检测，激光跟踪仪或测量系统可以确定该反射器被照射的准确角度。也可以基于由反射器反射的激光辐射确定至用于激光跟踪器或测距模块的反射器的距离。基于涉及所发射的激光辐射的角度信息和所确定的距反射器的距离，可让激光跟踪器或测量辅助检测单元确定反射器和进而测量辅助装置的位置。
20.尤其是可视的测量辅助标记按规定的相互空间关系来布置并由此形成特定图案，该特定图案用于使测量辅助装置的取向能通过例如激光跟踪器的测量辅助检测单元来确定。
21.该测量辅助标记例如可以是光点。这些光点例如可由在各个点的光源或借助为此设置的光在各个点的反射来产生。
22.单个光源的光也可以通过光导被引导至各个点。
23.这种光点于是产生方向特定图案，其可被该测量辅助检测单元用来确定测量辅助装置的取向。例如该方向特定图案可以是光点图案。
24.为了确定测量辅助装置的取向，可将光点图案投影或成像到一个平面以进行评估。对测量辅助装置的取向的确定于是基于以下事实，来自光点投影的图案根据该取向以取向特定方式改变。例如当测量辅助装置绕一轴线旋转时，两个光点的光点投影彼此接近或相互远离，该轴线横向于连接轴线布置，该连接轴线将两个光点相连且同时位于一个平
行于投影平面的平面内。
25.由此可以由测量辅助检测单元借助反射器确定测量辅助装置的位置并借助测量辅助标记来确定测量辅助装置的取向。
26.测距模块被设计用于借助测距辐射来测量距测量辅助装置的距离。该测距模块可以基于激光并被设计成基于渡越时间测量原理或干涉测量原理来确定该距离。通常，测距辐射被对准反射器并至少部分被反射器反射向测距模块。该测距模块被设计成基于此来确定距反射器或测量辅助装置的距离。
27.辐射模块被设计用于方向可变地发射检测辐射。该检测辐射可以是激光辐射。辐射模块可被设计成在确定一定角度范围的多个方向上同时发射检测辐射。该测量系统因此被配置成当检测辐射照射反射器时使其被反射器反射回至测量辅助检测单元。于是，该测量辅助检测单元被设计成检测所反射的检测辐射并基于此来检测和跟踪该测量辅助装置。跟踪在此涉及检测视野的连续对准或追踪，使得反射器位于或留在检测视野内。
28.因此，对测量辅助装置的检测和跟踪基于对由反射器反射的检测辐射的检测。
29.反射器、特别是后向反射器通常具有所谓的有效入射角度范围，其中在该入射角度范围内入射辐射被反射、特别是后向反射。以在对反射有效的入射角度范围外的角度入射的辐射没有如期望的那样被反射或根本未被反射，特别是未被后向反射。例如，典型的后向反射器是针对垂直辐射入射所设计的，但在这里它们也对相对于垂直面的 /-45-60度的入射起到后向反射作用。换句话说，反射器也具有所谓的(有效)“视野”。
30.因此，如果反射器位于测量辅助检测单元的视野中并且在辐射模块、测量辅助检测单元和反射器之间有所谓的(有效)直视连接，则可检测并跟踪测量辅助装置，即在这里，该辐射模块、测量辅助检测单元和反射器如此彼此相对布置和对准，即可以检测辐射模块的由反射器反射的检测辐射。
31.该测量辅助检测单元还被配置成检测该测量辅助标记。例如该测量辅助检测单元被设计成检测并连续评估由测量辅助标记形成的图案。接着，基于所述评估，可以确定该测量辅助装置的取向。
32.此外，该测量辅助检测单元还被配置成基于借助测距模块所测量的距离以及借助测量系统所确定的涉及射出测距辐射的方向的角度信息的距离来确定测量辅助装置的位置，并基于测量辅助标记的检测来确定测量辅助装置取向。基于测量辅助装置的位置和取向以及由测量辅助装置确定的距表面待测点的距离，可以通过该测量辅助检测单元来确定该点的坐标。
33.根据本发明，该测量辅助检测单元还被配置用于也基于由imu确定的测量辅助装置的运动数据来确定待测点的坐标。在此，所述运动数据可能与测量辅助装置的位置和/或取向有关。因此，根据本发明的测量系统被设计成将由imu确定的运动数据用来确定坐标。由此，因为存在一定的数据冗余，故可以灵活高效地使用该测量系统。
34.根据本发明的测量系统还被设计成将由imu确定的运动数据用于尤其连续对准该测量辅助检测单元，使得反射器位于检测视野内。由此可高效使用该测量系统，因为反射器总是可保持在检测视野中且因此一旦在该辐射模块、测量辅助检测单元和反射器之间存在直视连接就可被检测到。直视连接在此情况下是指该辐射模块、测量辅助检测单元和反射器如此彼此相对布置和对准，即，可检测辐射模块的由反射器反射的检测辐射(如上所述)。
35.根据测量系统的一个有利实施方式，如此配置该测量系统，使得如果反射器在检测视野内并且在所述辐射模块、测量辅助检测单元和反射器之间存在直视连接，则至少可以基于反射器所反射的检测辐射来检测并跟踪该测量辅助装置，并且如果反射器在检测视野外或在所述辐射模块、测量辅助检测单元和反射器之间没有直视连接，则可以基于imu所确定的测量辅助装置的运动数据来检测和跟踪该测量辅助装置。
36.后者可能涉及例如在反射器和测量辅助检测单元之间的视线被物体中断和/或反射器不在检测视野中的情况。
37.这允许灵活且大部分无中断地使用该测量系统，因为当在反射器、辐射模块和测量辅助检测单元之间无直视连接时，也可以实现对该测量辅助装置的检测和跟踪，于是也可以确定待测点的坐标。
38.根据测量系统的一个有利实施方式，该反射器由多个反射器形成，并且所述多个反射器布置在测量辅助装置的外部区域上并以特定的相对位置关系分散布置在其上。
39.在此，如此配置所述测量系统，使得如果在多个反射器之一位于检测视野内并且在辐射模块、测量辅助检测单元和所述多个反射器之一之间存在直视连接的第一状态之后是所述多个反射器之一位于检测视野外或者在辐射模块、测量辅助检测单元和所述多个反射器之一之间无直视连接的状态，则基于由imu确定的测量辅助装置的运动数据来对准测量辅助检测单元，使得直至多个反射器之一位于检测视野内并且在辐射模块、测量辅助检测单元和所述多个反射器之一之间存在直视连接的时间段被最小化或尽量短。
40.跟在第一状态之后的、以下被称为中断状态的状态在此例如可以是所述多个反射器都不具有至辐射模块和测量辅助检测单元的直视连接和/或多个反射器都没有处于检测视野中的状态。
41.如果这样的中断状态跟在第一状态后，则测量系统可被配置成借助运动数据来连续对准该测量辅助检测单元，使得多个反射器之一在最短的时间段内又位于检测视野内和/或又存在与辐射模块和测量辅助检测单元的直视连接。
42.为此，测量系统例如被配置成基于imu的运动数据、特别是运动数据的时间曲线来确定对测量辅助装置的未来位置和取向的预测，其中该预测被自动提供给测量辅助检测单元。测量辅助检测单元还被配置成在出现中断条件时自动使视野针对所述预测取向。
43.例如测量辅助检测单元还具有自动目标搜索功能，其被配置用于在检测视野初始定向的周围自动搜索目标，其中该预测包括例如时间估计测量辅助装置何时处于未来的位置和取向的时间估算，并且目标搜索功能基于该时间估算被自动触发。
44.根据测量系统的一个实施方式，所述测量辅助标记被设计成发射和/或反射光线。
45.例如测量辅助标记可以是用发光二极管(led)技术产生的光点。测量辅助标记也可以是反射器，其被设计用于反射辐射，使得来自测量辅助检测单元的反射辐射可作为图案被检测和评估。
46.led技术的使用允许例如借助光点强度的可变调设实现光点图案的可变调整。
47.根据测量系统的一个实施方式，测量辅助检测单元具有带有辐射敏感传感器的检测器。在此，测量辅助检测单元被配置用于借助辐射敏感传感器来检测和跟踪该测量辅助装置并且还检测该测量辅助标记。
48.通过使用相同的辐射敏感传感器用于测量辅助装置的检测和跟踪以及测量辅助
标记的检测，允许以简单紧凑的构型实现测量系统，由此提供高效测量。
49.根据测量系统的一个有利实施方式，测量辅助检测单元被配置成替代可选地不仅借助由imu确定的测量辅助装置运动数据、也借助由借助反射器、借助测量辅助标记和借助由imu确定的测量辅助装置运动数据的组合来确定该测量辅助装置的位置和取向。
50.例如，借助组合来确定测量辅助装置的位置和取向可能意味着，可以借助反射器和借助测量辅助标记来确定该测量辅助装置的位置和取向。
51.例如，借助组合确定测量辅助装置的位置和取向可能意味着，可以借助反射器和借助由imu确定的测量辅助装置的运动数据来确定该测量辅助装置的位置和取向。
52.例如，借助组合确定测量辅助装置的位置和取向可能意味着，可以借助测量辅助标记和借助由imu确定的测量辅助装置的运动数据来确定该测量辅助装置的位置和取向。
53.所述组合性允许使用冗余数据灵活确定测量辅助装置的位置和取向。由此也允许更高效且不易中断的测量。
54.根据测量系统的一个实施方式，测量辅助检测单元被配置成基于检测标准借助由imu确定的测量辅助装置的运动数据或借助由借助反射器、借助测量辅助标记和借助由imu确定的测量辅助装置的运动数据的组合来确定测量辅助装置的取向和位置。
55.根据测量系统的一个实施方式，所述检测标准涉及以下状态中的至少一种：测量辅助装置能借助反射器和测量辅助标记被完全检测；测量辅助装置能至少部分借助反射器和测量辅助标记被检测；测量辅助装置能至少部分借助反射器或测量辅助标记被检测；在反射器与测量辅助检测单元之间没有直视连接，并且在测量辅助标记与测量辅助检测单元之间的视线被中断(测量辅助标记无法让测量辅助检测单元看见)。
56.由此允许视情况而定地借助合适的手段确定测量辅助装置的位置和取向。这又允许在例如没有与反射器的直视连接和/或测量辅助标记被挡的情况下，或者在反射器和/或测量辅助标记位于检测视野外的情况下也能灵活使用测量系统。
57.根据测量系统的一个实施方式，测量辅助检测单元被配置成在第一时刻借助反射器和/或测量辅助标记确定该测量辅助装置的位置和/或取向，在第二时刻借助由imu确定的运动数据确定该测量辅助装置的位置和/或取向，其中第二时刻的至少一部分在时间上位于第一时刻之间。
58.一种方法基于借助反射器和/或测量辅助标记的取向和/或位置确定且另一种方法基于借助由imu确定的测量辅助装置的运动数据的取向和/或位置确定的不同的方法为了确定测量辅助装置的位置和/或取向而可以相互协调，从而可以优化单位时间内可测量点的数量。由此允许具有高时间分辨率的高效测量。
59.根据测量系统的一个有利实施方式，测量辅助检测单元被配置成借助测量辅助标记和由imu确定的运动数据来确定测量辅助装置的取向，其中该测量辅助检测单元被配置成基于关于第一时间间隔求平均的用于借助测量辅助标记确定取向的测量值和关于第二时间间求平均的用于借助由imu确定的运动数据确定取向的测量值来确定该取向。
60.通常，测量值被求平均以检查基于随机测量偏差的测量噪声和进而测量精度。因为可以借助两种方法来确定测量辅助装置的取向，故可以也与各自其它方法的测量值求平均无关地对每种方法的测量值求平均，以针对各自方法检查该测量值噪声。这些具有各自求平均的测量值的方法的结合在手控操纵测量辅助装置的情况下也允许高度精确地确定
待测点的坐标。
61.根据测量系统的一个实施方式，该测量辅助检测单元还被配置成基于用反射器和/或测量辅助标记所确定的位置和/或取向来连续校准借助imu确定的运动数据。
62.通常，imu的测量值会带有系统性偏差。例如imu传感器的偏移量及其缩放系数必须被连续校准。为了检查该系统性偏差，可以校准imu并按规定的时间间隔再校准。因为可以借助imu方法和也借助反射器和测量辅助标记方法来确定测量辅助装置的位置和/或取向，故借助反射器和测量辅助标记方法所确定的测量辅助装置的位置和取向可被用于校准、特别是连续再校准imu，例如用于连续校准imu传感器偏移量和相关的缩放系数。由此允许测量系统的灵活使用。
63.imu和关于测量辅助装置的位置和/或取向的校准数据、即所谓的绝对数据例如在使用诸如卡尔曼滤波器之类的状态估计滤波器的情况下被合并。利用这种滤波器，借助统计动态模型来估算测量辅助装置的6dof位姿和内部参数如imu偏移。对于每个传感器值，该模型都被相应更新，其中不仅考虑传感器值、其不确定性，还考虑测量辅助装置动态的估计。因此允许融合各不同类型的传感器，可能的话其具有不同的测量速率，同时充分利用每个传感器的优势。imu保持被连续校准，并且测量系统的高频噪声被衰减并被噪声较小但更易漂移的imu数据取代。
64.如果imu噪声足够低，则可几乎完全消除绝对系统的(例如由空气湍流造成的)随机噪声，由此提供主要受绝对系统的系统性误差限制的信号。在许多情况下，该信号可被用在运动过程中而无需进一步求均值，其精度与没有imu的系统中的包含求均值的静态测量相似。由此例如这可以实现更快速的触觉测量，因为在测量过程中该测量辅助装置不必保持静止较长时间(如3秒)。这种长平均时间主要归结于在相对“缓慢”的时间尺度上波动的空气湍流。因此可以利用扫描式测量辅助装置获得跟踪精度，该跟踪精度至少与静态测量辅助装置的跟踪精度一样高。
65.通过将例如以100赫兹执行的绝对测量值与例如以1千赫获得的imu数据合并，可以跟踪其动态快了一个数量级的运动，而没有损失绝对精度。imu因此允许以较低的帧速确定所述绝对6dof系统。
66.如果使用例如在不做修改地使用反射器绝对位置的情况下仅从imu和测量辅助标记中估计测量辅助装置的取向的简单的传感器融合滤波器，则可以采用与上述同类型的状态估计滤波算法。或者，可以使用简化的算法，例如用于绝对角度的低通滤波和用于imu角度的匹配高通滤波，由此，最终信号具有平淡的频率响应并且基于标记的系统的绝对精度得以维持，同时受益于降低的噪声和imu数据的更高采样率。
67.对于如下实时应用场合例如此时快速反应时间很重要的下述避障，例如状态估计滤波仅前向进行，即在因果模式下(＝仅使用来自早先测量的信息，没有未来测量信息)。
68.例如对于具有高精度的应用场合如插值或抑噪，滤波器例如适配运行，从而它是非因果的，在这里也使用未来信息来估计在每个点的状态。这例如可以通过所谓的卡尔曼滤波平滑进行，其中该滤波附加向后一次经过数据组以便朝相反方向传播状态信息。
69.还可能有利的是，对于绝对数据考虑近似地理位置以补偿地球自转。
70.根据测量系统的一个实施方式，该测量系统被配置成基于借助imu所确定的运动数据来识别测量辅助装置接近具有一定的位置和形状的障碍。
71.例如该测量系统可以具有关于位于待测表面处的障碍的位置和形状的数据。所述数据能以测量辅助装置的位置为基准，由此该测量辅助装置相对于障碍的运动可以借助由imu确定的该运动数据而被跟踪。基于所述跟踪，可以识别测量辅助装置接近障碍。基于该接近的识别，可以警告测量系统的使用者可能会发生碰撞。由此允许安全高效地使用测量系统。
72.根据测量系统的一个实施方式，该测量系统配置用于如果尤其在一定的时间段内在所述反射器与测量辅助检测单元之间没有直视连接则触发接近的识别。
73.由此例如可以在如下状况下也防止碰撞测量辅助装置，即在此在测量时不直接使用该测量辅助装置。
74.根据该测量系统的一个实施方式，该测量系统被配置用于通过光学反馈和/或声学反馈和/或触觉反馈向测量辅助装置的使用者发信号表示识别出接近。
75.根据该测量系统的一个实施方式，测量辅助装置是激光扫描仪，所述辐射模块、测距模块和测量辅助检测单元是激光追踪器的一部分。
附图说明
76.在下文中，依据如图示意所示的具体实施方式来单纯举例详述本发明的测量系统，在这里也介绍本发明的其它优点。具体地：
77.图1示出了用于确定表面的待测点的坐标的测量系统的一个实施方式，
78.图2示出了用于非接触扫描表面的待测点的可手控操纵的测量辅助装置的一个实施方式，
79.图3示出了用于非接触扫描表面的待测点的自动引导的测量辅助装置的一个实施方式，
80.图4示出了用于以触觉方式扫描表面的待测点的可手控操纵的测量辅助装置的一个实施方式。
具体实施方式
81.图1示出了根据本发明的第一实施方式的测量系统1。该测量系统具有测量辅助装置2。该测量辅助装置被设计成手控操纵并以非接触方式扫描一个表面的待测点。该测量系统具有测距模块6，该测距模块被设计用于测量距测量辅助装置2的距离。此外，该测量系统1还具有辐射模块7，该辐射模块被设计用于发射方向可变的检测辐射。此外，图1所示的测量系统具有可定向的测量辅助检测单元8。
82.图1所示的测量系统1示出了激光跟踪器13和以激光扫描仪形式实现的测量辅助装置。
83.图1和图2所示的测量辅助装置2具有集成在该测量辅助装置中的惯性测量单元(imu)3(未示出)，其确定该测量辅助装置的运动数据。此外，该测量辅助装置具有形成反射器的多个反射器4、4'、4”和多个测量辅助标记5、5'、5”。该测量辅助装置具有手柄9，借助该手柄可以手控操纵该测量辅助装置。
84.图3所示的测量辅助装置2'被设计成自动引导。为此，它附接在自动引导单元如机器人的部件10上。
85.图4示出了测量辅助装置2”，其被设计成能手控操纵并以触觉方式扫描表面的待测点。该测量辅助装置为此具有带有球12的触觉传感器附件11，使该球与待测点接触。该测量辅助装置2”具有一个反射器4”'和多个测量辅助标记5”'。
86.显然，所示的附图仅示意性表示可能的实施方式。