基于望远镜的三维光学扫描仪校准制造技术

本发明专利技术的实施方式包括使用一组望远镜来校准三维光学扫描仪。针对测量级校准公开了三个单独的校准：（１）使用至少一对对映望远镜实现的角度校准，（２）使用至少一个安装有光纤循环器的望远镜实现的测程校准，和（３）使用未按照对映配置安装的至少一对望远镜和一体的倾斜台实现的倾斜校准。还公开了用于对准或测量对映望远镜对之间的未对准的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于望远镜的三维光学扫描仪校准针对真实世界物体的数据采集和随后的计算机模型生成在许多行业中并且对于许多应用是受关注的，这些行业和应用包括建筑、实物产业设计、娱乐应用(例如，电影和游戏中)、测量、制造质量控制、医疗成像和构造、以及制图和地理应用。为了获得物体的准确3D模型以及物体在真实世界中的面积，必需对组成物体的表面和周围区域的元素进行准确测量或取样。历史上，使用以最多每小时数十或数百的速率提供取样的技术来执行该取样。近来在扫描技术(如利用LIDAR扫描的技术)中的进展已经使得能够在大约数小时内在大区域上收集物理表面上的数十亿的点样本。在LIDAR扫描处理中，扫描装置将激光束扫描过包围关注结构的场景，并且由扫描装置捕获从场景反射的光束。扫描装置由此测量位于场景中可见的表面上的大量点。每个扫描点在3D空间中具有测量位置，在一定的测量误差内，该测量位置通常针对在扫描仪的本地坐标系中的点(x、y、z)被记录。所得到的点集合通常称为一个或更多个点云(point cloud)，其中每个点云可以包括位于扫描视野中的许多不同表面上的点。常规LIDAR扫描系统并不天然地创建点，而是替代地创建被转换为x、y和ζ坐标的具有关联镜面角的测程组。将这些天然测量结果映射为x、y和ζ坐标的功能取决于扫描仪如何装配，并且对于高精度系统，该功能针对每个扫描仪都是不同的，并且是温度和其他环境条件的函数。扫描仪系统之间的差别通常由称为校准参数的一组数据表示。校准系统的目的是估计校准参数。扫描仪的校准系统现在通常包括测量一组已知靶物并根据这些测量结果来估计校准参数。扫描仪系统将测量一个或更多个靶物的位置。这些相同靶物的位置由受信基准系统(例如使用某种其他方法校准的全站仪(total station))测量。接着估计在该测量条件下的校准参数。在一个或更多个温度处可以执行前述处理。这样的方法遇到至少三个问题。首先，需要辅助测量系统来定位激光扫描靶物。第二，如果在利用辅助测量系统测量靶物的时间和由被校准的扫描仪测量靶物的时间之间靶物发生移动——这或许是因为靶物例如固定到建筑物的随时间由于太阳光或其他因素而变形的部分，这些移动将系统性误差引入到校准参数中。第三，估计校准参数的能力不会比利用扫描仪和辅助测量系统来定位靶物的能力更好。靶物距扫描仪越远，校准的角度部分的估计值就越好。这已经导致现有技术成为宽范围地隔开靶物的大校准系统。这需要大的稳定空间。空间的尺寸占用太大并且倾向于加重第二个问题；即，靶物需随时间保持稳定或者固定在适当位置。全站仪是在测量中使用的手动操作光学仪器。全站仪是电子经纬仪(经纬仪)、电子测距计(EDM)和运行在称为数据收集器的外部计算机上的软件的组合。利用全站仪，可以确定从仪器到待测量点的角度和距离。利用三角法和三角测量法，可以使用角度和距离来计算被测量点的实际位置的坐标(x、y和ζ或北距、东距和仰角)或者按照绝对项的仪器距已知点的位置。多数现代全站仪仪器通过对刻蚀在仪器内的旋转玻璃圆柱或盘上的极其精密的数字条形码进行光电扫描来测量角度。最好质量的全站仪能够测量低至0. 5弧秒的角度。不昂贵的“结构级”的全站仪一股可以测量5或10弧秒的角度。全站仪通过使用准直望远镜来解决高精度角度校准问题。待校准的全站仪放置在稳定的固定物上。在透镜组后具有靶物的望远镜用作靶物。通过在其靶物前放置透镜组， 当靶物实际上小于1米远时，靶物表现为位于更大的距离处(也许甚至数百米远)。该技术将全站仪的校准系统的角度部分的尺寸减小到几个平方米。减小的尺寸还有助于靶物的稳定，因为靶物在物理上接近并且可以安装在通常由混凝土制成的同一稳定基部中。甚至靶物的稳定性不重要。全站仪校准系统通过在两个面中观测这些靶物而消除了对辅助测量系统或大稳定性的要求。在双面测量中，全站仪放置在稳定的底座上。操作者接着通过全站仪的望远镜观测望远镜中的靶物。在第二面中重复该测量；即，在基部上旋转全站仪达180度或一周的一半并重复该测量。省去了角度测量，并且根据这些观测结果可以在不使用辅助测量系统的情况下确定望远镜的位置和相关全站仪参数二者。准直望远镜需要某种调整以用于激光扫描仪，因为激光扫描仪发射需要发现其位置的激光束。另外，当应用于激光扫描仪时，使用双面测量并且没有辅助测量系统的全站仪校准方法失败。通常的激光扫描仪必须快速地移动激光束。这一股通过使用反射镜而不是通过移动激光器来进行。如果完全移动激光器，全站仪校准方法可适用，因为在激光束安装中的不确定度与仰角系数(elevation index)以及全站仪准直误差的不确定度表现相同。 但是，如果反射镜移动激光束，则激光安装中的不确定度是新的参数，并且全站仪校准方法对于激光扫描仪校准变为不良状态。总之，扫描仪校准的现有技术受到尺寸、成本和精度限制的影响，因为校准需要辅助基准，并且精度对于校准系统的尺寸和稳定性敏感。全站仪校准的现有技术解决了这些问题，但当应用于激光扫描仪校准时失败。全站仪校准方法不能够正确地识别激光扫描仪的全部校准参数，因为物理设置这样的激光扫描仪的方式不同于全站仪，即，因为激光扫描仪使用反射镜来使激光束偏转。提供该
技术实现思路
来介绍简化形式的概念的选择，这些概念下面还将在详细的说明中描述。该
技术实现思路
不是要识别所要求保护的主题的关键特征或必要特点，也不是要用作确定所要求保护的主题的范围的帮助。本专利技术的一个实施方式包括一种用于执行三维光学扫描系统的角度校准或倾斜校准的对映校准架(antipodal calibration rig)。对映校准架包括安装在架上的第一望远镜和安装在架上的第二望远镜。对映校准架还包括用于定位在对映校准架内的扫描仪的基部。基部被配置为使得当扫描仪置于基部上时扫描仪位于第一望远镜的轴上和第二望远镜的轴上。本专利技术的另一实施方式包括一种用于按对映体对排列第一望远镜和第二望远镜的方法。望远镜包括对准激光器(alignment laser)，并且用于观测第一望远镜和第二望远镜的装置位于第一望远镜和第二望远镜之间。该方法包括在第一望远镜处对第一望远镜的第一对准激光器的第一光束的位置与第二望远镜的第二对准激光器的第二光束的位置进行比较。该方法还包括在第二望远镜处对第一光束的位置与第二光束的位置进行比较。该方法还包括调整第一望远镜和第二望远镜，直到第一对准激光器和第二对准激光器的光束平行。本专利技术的另一实施方式包括一种用于三维光学扫描系统的角度校准的方法。该方法包括在对映校准架内定位三维光学扫描系统。对映校准架包括安装在对映校准架上的第一望远镜和安装在对映校准架上的第二望远镜。第一望远镜与第二望远镜对映排列，并且扫描仪位于第一望远镜的轴上和第二望远镜的轴上。该方法还包括在两个面中测量第一望远镜的角度位置和测量第二望远镜的角度位置。该方法还包括根据这些测量结果来估计三维光学扫描系统的一组角度校准参数。本专利技术的另一实施方式包括一种用于校准三维光学扫描系统的倾斜传感器的方法。该方法包括将扫描系统定位在对映校准架内的倾斜台上。对映校准架包括安装在对映校准架上的一个或更多个望远镜。该一个或更多个望远镜用于测量三维光学扫描系统的倾斜。该方法还包括对三维光学扫描系统执行角度校准并求解三维光学扫描系统的倾斜系数。求解本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于三维光学扫描系统的角度校准的方法，该方法包括：－将所述三维光学扫描系统定位在对映校准架内，其中，所述对映校准架包括安装在所述对映校准架上的第一望远镜和安装在所述对映校准架上的第二望远镜，其中，所述第一望远镜与所述第二望远镜对映排列，并且扫描仪位于所述第一望远镜的轴上和所述第二望远镜的轴上；－在两个面中测量所述第一望远镜的角度位置；－在两个面中测量所述第二望远镜的角度位置；以及－根据测量结果来估计所述三维光学扫描系统的一组角度校准参数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：格雷戈里·查尔斯·沃尔什，
申请(专利权)人：莱卡地球系统公开股份有限公司，
类型：发明
国别省市：CH