用于确定对象表面的3D坐标的测量系统技术方案

根据本发明专利技术的一种用于确定对象表面上的测量点的在外部对象坐标系中的3D坐标的测量系统（10），尤其所述3D坐标是多个3D坐标，尤其所述对象是工业产品，该测量系统（10）具有扫描装置（21），该扫描装置（21）用于测量，尤其是逐点测量，对象表面上的测量点并且用于确定在内部测量坐标系中的内部测量点坐标。此外，设置了参照装置（30）和评估单元（34），参照装置（30）用于产生参照信息，尤其扫描装置（21）的外部测量位置和测量朝向，用于在外部对象坐标系中参照内部测量点坐标；所述评估单元（34）用于基于内部测量点坐标和所述参照信息确定所述测量点在所述外部对象坐标系中的3D坐标，使得所述内部测量点坐标以3D坐标的形式，尤其是点云的形式，处于外部对象坐标系中。在此情况下通过无人、受控、自动的飞行器（20）携带扫描装置（21），尤其其中，飞行器（20）被设计为飞行器（20）能够以盘旋方式定向和移动。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于确定对象表面的3D坐标的测量系统本专利技术涉及用于对象的三维测量的测量系统，尤其涉及根据权利要求1的前序部分所述的工业产品，根据权利要求7所述的用于确定3D坐标的方法和根据权利要求12所述的在根据本专利技术的系统中使用的无人、可控、自动飞行器。用于测量对象表面的系统例如在工业中在生产处理中使用以便检验部件和产品几何形状。这使得能够检验对象的设计容限，迅速识别与生产有关的制造缺陷，以及将尺寸位于预限定标准之外的构件从处理中移除。使用这种类型的测量系统可使得生产限额得以提高同时减少生产错误。在工业制造处理中，例如可使用具有触觉传感器的测量系统。所述系统主要包括可移动的被引导的测量端头，在其端部附接有红宝石球，其中当红宝石球与对象表面存在接触时，检测到测量点并且可确定该点的坐标。通过扫描限定的对象位置或者通过从表面的部分缩回，可记录对象的形状和尺寸，与预先针对这个目的而确定的目标值比较，并且可确定从目标值的任何偏离。对于非常大的对象（例如，飞机）而言，对象的触觉测量会是不利的，因为这种测量处理一方面非常时间密集，并且因为对象的大小所以在另一方面它仅能非常艰难地进行。对进行中的生产处理期间基本上完全质量控制和对对象（尤其是原型机）的形状的数字化的不断增加的要求使得表面周线的记录——该记录与在短时间内确定待测量的对象的表面的各个点的坐标有关——成为更加频繁提出的测量任务。为了减少为了这个目的的测量时间，可以使用光学测量传感器进行非接触测量。这种光学表面测量系统可一般包括采用图像序列来确定3D坐标的测量系统或者光学扫描仪，例如，行扫描仪，利用该扫描仪对表面逐行扫描，其中，同时在表面上方引导测量系统或者扫描仪。从现有技术得知的扫描仪依赖于各个扫描角在短时间内可记录多多个点的距离。通过将扫描仪相对于表面的移动考虑在内，可从其产生散射图，该散射图代表待测量的对象的表面。通过使用图像处理，测量的表面也可被图形化地处理、在显示器上呈现，并且出现的任何测量偏差的指示可以被合并到图形中。此外，从现有技术已知的使用图像序列来确定测量对象的3D坐标的测量系统例如可以是便携的、手持的和/或永久安装的系统，一般包括用于用图案对测量对象照明的图案投影器，因而有时被称为图案投影3D扫描仪或者光结构3D扫描仪。作为测量系统的另一部分的相机系统记录投影到测量对象的表面上的图案。在测量期间，投影器用不同图案（例如，不同宽度的平行亮暗条带图案，特别是条带图案的旋转也可出现，例如90°旋转）按时间顺序地对测量对象照明。相机在已知透视点记录投影的条纹图案。利用相机针对各投影图案记录图像。针对全部相机的各图像点，因而存在不同亮度值的时间序列。然而，除了条带还可投影其它适当图案，诸如，例如随机图案、伪随机码等。本领域技术人员从现有技术中充分已知适用于这个目的的图案。伪随机码使得例如能够更容易地将对象点绝对关联，这对于非常精细的条纹的投影中正在逐渐变得困难。为此目的可以按照快速序列初始地投影一个或者更多个伪随机码接着投影精细条带图案，或者甚至在连续记录中，在序列期间变得更精细的不同条带图案可被投影，直至在测量对象表面上的测量点的分辨率实现了期望的精度为止。接着使用根据来自照相测量和/或条带投影的本领域技术人员已知的方法的图像处理，可从所记录的图像序列计算出测量对象表面的3D坐标。例如，在WO2008/046663、DE10127304A1、DE19633686Al或者DE102008036710Al中描述了这种测量方法和测量系统。利用带有相机或者扫描仪的测量系统进行测量的问题经常在人工即手持测量中发生。因为原则上为了记录和处理三维的表面的散射图必须有非常高的计算能力，特别是如果因为测量系统移动所以所记录的图像或者扫描线要被合并，则与速度和振动有关，移动容限通常明显受到限制。当测量时，测量系统的基本上的稳固性因而是强制性的并且如果不被维持则是产生测量误差的主要原因。例如在申请号10166672.5的欧洲专利申请中公开了当时检测表面时，甚至当使用机器人臂来引导测量传感器时，将这种测量误差考虑在内并且因而补偿测量期间的振动或者速度变化的一种方案。当记录图像序列时，例如，可测量测量传感器或者测量对象的平移和/或旋转加速度，并且当确定对象的3D坐标时可将测量到的加速度考虑在内。测量点的3D坐标的确定可以依赖于所测量到的加速度来发生。因而在计算机中可将测量系统的不稳固引导造成的误差考虑在内，并且作为结果可确定正确的位置数据。在EP2023077提出了能够准确并且迅速进行的使用记录单元来进行非接触3D表面测量的另选方案。为了用测量头进行的测量，耦合到测量头的测量装置可确定该测量头的测量位置和朝向，其中通过使用铰接臂，测量头可被引导到表面处或者被沿着表面引导。通过对至少部分交叠表面区间的第二测量，从按此方式可获得的位置信息可在共用坐标系下产生表面图像。以上提到的实施方式的共同缺点是对于待测量的大的对象，因为铰接臂的有限范围和引导测量系统的人的在解剖学上受限的范围和移动性，对象处的全部相关测量位置的实现仅可艰难进行或者可能部分不能够实现。此外，例如通过在特殊保护设备中的人仅可在有毒环境中进行对象测量，因而接着一方面在困难条件下进行，或者在另一方面，例如如果超过了可容许的毒性值则不再能够进行测量。因而本专利技术的目的是提供带有关联单元的测量系统和对应的方法，利用该测量系统和方法，可以精确、迅速并且高度自动化地进行表面测量，特别是在至少部分地难以接近的对象上进行测量。本专利技术的特有目的是提供在对人类有害或者危险的环境中能够以用户友好、简单和迅速的方式对对象进行基本上完全3D测量的能力。所述目的是通过独立权利要求的特征来实现的。在从属权利要求中给出了以另选或者有利方式进一步发展本专利技术的特征。本专利技术提供一种用于确定对象表面的测量点在外部对象坐标系中的3D坐标的测量系统，尤其所述3D坐标是多个3D坐标，尤其所述对象是工业产品。在此，测量系统包括：光学扫描装置，所述光学扫描装置基于三角测量原理，尤其用于对象表面的测量点的逐点光学测量并且用于确定内部扫描坐标系中的内部测量点坐标；参照装置，所述参照装置用于产生用于在所述外部对象坐标系中参照所述内部测量点坐标的参照信息，尤其所述参照信息为所述扫描装置的外部测量位置和测量朝向；和评估单元，所述评估单元用于依赖于内部测量点坐标和所述参照信息确定测量点在外部对象坐标系中的3D坐标，使得所述内部测量点坐标在外部对象坐标系中呈现为3D坐标，尤其作为散射图呈现。此外，测量系统包括无人、受控、自动的飞行器并且扫描装置被该飞行器携带，尤其其中飞行器被设计为使得飞行器能够在盘旋的同时定向和移动。此外，提供控制单元，该控制单元被构造为使得，将扫描装置确定的各个当前内部测量点坐标考虑在内，和/或将数字模型预限定的对象表面考虑在内，所述飞行器在维持预限定范围的测量距离的同时在相对于对象表面自动控制下沿着数字模型限定的飞行路径移动，所述测量距离尤其是测量距离。根据本专利技术，控制单元能够被配置为使得依赖于能够通过使用参照装置确定（尤其连续确定）的扫描装置的测量位置和测量朝向、和/或依赖于能够使用扫描仪确定的到对象表面的测量距离，飞行器能够在自动控制下相对于对象表面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.04.14 EP 11162508.31.一种用于确定对象表面(65)的测量点的在外部对象坐标系中的3D坐标的测量系统(10)，该测量系统(10)具有：·光学扫描装置(21、21a、21b、21c)，所述光学扫描装置(21、21a、21b、21c)基于三角测量原理，用于对象表面(65)的测量点的逐点光学测量并且用于确定内部扫描坐标系中的内部测量点坐标，·参照装置(30、30a、30b、70a、70b)，所述参照装置(30、30a、30b、70a、70b)用于产生用于在所述外部对象坐标系中参照内部测量点坐标的参照信息，以及·评估单元(34)，所述评估单元(34)用于依赖于所述内部测量点坐标和所述参照信息确定所述测量点在所述外部对象坐标系中的3D坐标，使得所述内部测量点坐标在所述外部对象坐标系中呈现为3D坐标，其特征在于，·携带所述扫描装置(21、21a、21b、21c)的无人、受控、自动的飞行器(20)，以及·控制单元(40)，所述控制单元(40)被构造为使得所述飞行器(20)在维持预限定范围的测量距离的同时在自动控制下相对于所述对象表面(65)移动，所述测量距离是以下的测量距离，□将使用扫描装置(21、21a、21b、21c)确定的各个当前内部测量点坐标考虑在内的测量距离，和/或□将沿着数字模型限定的飞行路径(81、82)由所述数字模型预限定的对象表面考虑在内的测量距离，所述控制单元(40)被构造为使得依赖于以下至少一项，所述飞行器(20)在相对于所述对象表面(65)而被自动控制的同时能够移动和定向：-能够使用参照装置(30、30a、30b、70a、70b)确定的扫描装置(21、21a、21b、21c)的测量位置和测量朝向，和-能够使用扫描装置(21、21a、21b、21c)确定的到所述对象表面(65)的测量距离，和/或以下至少一项：-对象表面(65)的位置和/或目标轮廓能够被预限定，和-所述扫描装置(21、21a、21b、21c)包括：光学扫描装置，其中在所述飞行器(20)的移动期间能够产生扫描条带，和/或测量系统使用图像序列以确定所述测量点坐标，依赖于表面位置和目标表面轮廓，所述飞行路径(81、82)能够被确定，从而·能够调节扫描精度、扫描行程和扫描时间和/或·使用对所述扫描条带的交叠区域的分析，能够确定和/或调节所述飞行器(20)和/或所述扫描装置(21、21a、21b、21c)的移动和朝向，关于扫描行程、扫描时间、扫描精度、所述飞行器(20)的移动的稳定性、所述飞行器(20)的位置和朝向的确定和/或防撞，能够对所述飞行路径(81、82)和/或飞行速度进行优化。2.根据权利要求1所述的测量系统(10)，其特征在于，所述对象包括工业产品。3.根据权利要求1所述的测量系统(10)，其特征在于，所述内部测量点坐标在所述外部对象坐标系中呈现为散射图。4.根据权利要求1所述的测量系统(10)，其特征在于，其中，所述飞行器(20)被设计为使得所述飞行器(20)能够在盘旋时定向和移动。5.根据权利要求1所述的测量系统(10)，其特征在于，所述扫描装置(21、21a、21b、21c)的所述测量位置和所述测量朝向能够连续确定。6.根据权利要求1所述的测量系统(10)，其特征在于，所述对象表面(65)的所述位置和/或所述目标轮廓能够由所述数字模型预先确定。7.根据权利要求6所述的测量系统(10)，其特征在于，所述数字模型包括CAD模型。8.根据权利要求1所述的测量系统(10)，其特征在于，基于预限定的对象表面(65)，相应的目标表面坐标能够与相应的3D坐标进行比较。9.根据权利要求6所述的测量系统(10)，其特征在于，所述参照装置(30、30a、30b、70a、70b)通过参照预限定的基准点(61)而能够被参照到所述对象表面(65)。10.根据权利要求6所述的测量系统(10)，其特征在于，其中，所述扫描装置(21、21a、21b、21c)包括行扫描仪、条带投影扫描仪和/或相机。11.根据权利要求1所述的测量系统(10)，其特征在于，所述飞行路径(81、82)能够被自动地确定。12.根据权利要求1所述的测量系统(10)，其特征在于，能够使用距离测量传感器确定到对象的距离。13.根据权利要求1所述的测量系统(10)，其特征在于，能够使用距离测量传感器确定到障碍物的距离。14.根据权利要求1所述的测量系统(10)，其特征在于，依赖于所述飞行路径(81、82)所述扫描条带能够至少部分交叠。15.根据权利要求1所述的测量系统(10)，其特征在于，通过图像处理，能够确定和/或调节所述飞行器(20)和/或所述扫描装置(21、21a、21b、21c)的移动和朝向。16.根据权利要求1所述的测量系统(10)，其特征在于，所述参照装置(30、30a、30b、70a、70b)包括：·位置确定装置，所述位置确定装置被设计为使得相对于所述对象坐标系能够确定所述扫描装置(21、21a、21b、21c)的外部测量位置，和/或·朝向确定装置，所述朝向确定装置被设计为使得相对于所述对象坐标系能够确定所述扫描装置(21、21a、21b、21c)的测量朝向。17.根据权利要求16所述的测量系统(10)，其特征在于，使用所述飞行器(20)对所述扫描装置(21、21a、21b、21c)的已知的位置关系和朝向关系，能够确定所述扫描装置(21、21a、21b、21c)的所述测量位置和所述测量朝向。18.根据权利要求17所述的测量系统(10)，其特征在于，利用所述参照装置(30、30a、30b、70a、70b)能够确定飞行器位置和飞行器朝向。19.根据权利要求1所述的测量系统(10)，其特征在于，·所述扫描装置(21、21a、21b、21c)和/或所述飞行器(20)包括反射器(23)，·所述参照装置(30、30a、30b、70a、70b)包括大地测量装置，其至少具有□辐射源，所述辐射源用于产生用于距离测量的光学测量光束(33、33a、33b)，□底座，所述底座限定竖直轴，□光束偏折单元(32、32a、32c)，所述光束偏折单元(32、32a、32c)用于发出测量光束(33、33a、33b)并且用于接收经在所述反射器(23)反射的测量光束的至少一部分，其中，为了光学目标轴的定向，通过电机使得所述光束偏折单元(32、32a、32c)能够相对于所述底座绕所述竖直轴和与所述竖直轴正交的倾斜轴枢转，□角度测量功能体，所述角度测量功能体用于高精度记录所述目标轴的朝向，以及□评估装置，所述评估装置用于数据存储和所述光束偏折单元(32、32a、32c)的朝向的控制并且·所述测量光束(33、33a、33b)能够定向到所述反射器(23)，使得能够确定所述扫描装置(21、21a、21b、21c)的所述测量位置和/或飞行器位置。20.根据权利要求19所述的测量系统(10)，其特征在于，所述大地测量装置包括全站仪或者激光跟踪器(30、30a、30b)。21.根据权利要求19所述的测量系统(10)，其特征在于，所述测量光束(33、33a、33b)能够连续地定向到所述反射器(23)。22.根据权利要求19所述的测量系统(10)，其特征在于，·能够向所述扫描装置(21、21a、21b、21c)和/或所述飞行器(20)发送的信号(35)包含□位置信息，其中，所述位置信息能够在与所述飞行器(20)相关联的第一处理单元中被转换为用于控制所述飞行器(20)的控制数据，或者□所述用于控制飞行器(20)的控制数据，其中，使用与所述参照装置(30、30a、30b、70a、70b)相关联的第二处理单元从所述位置信息能够确定所述控制数据，和/或·所述参照装置(30、30a、30b、70a、70b)包括至少一个GNSS卫星，其中，GNSS卫星提供GNSS信号，并且·所述扫描装置(21、21a、21b、21c)和/或所述飞行器包括接收器单元(26)，使得能够接收所述GNSS信号并且能够从所接收的GNSS信号确定所述扫描装置(21、21a、21b、21c)的测量位置。23.根据权利要求22所述的测量系统(10)，其特征在于，·所述参照装置(30、30a、30b、70a、70b)包括用于发送定位信号(71)的伪卫星模块(70a、70b)并且·所述扫描装置(21、21a、21b、21c)的和/或所述飞行器(20)的所述接收器单元(26)被设计为使得能够接收所述定位信号(71)并且能够从所接收的定位信号(71)确定所述扫描装置(21、21a、21b、21c)的测量位置和/或测量朝向。24.根据权利要求1所述的测量系统(10)，其特征在于，·所述参照装置(30、30a、30b、70a、70b)包括与所述扫描装置(21、21a、21b、21c)和所述飞行器(20)中的至少一方相关联的用于确定所述扫描装置(21、21a、21b、21c)的测量朝向和测量位置的传感器单元(27)，和/或·所述扫描装置(21、21a、21b、21c)和/或所述飞行器(20)包括给出测量朝向的标记(24)，并且·所述参照装置(30、30a、30b、70a、70b)包括记录单元(31、31a、31b)，所述记录单元(31、31a、31b)用于记录所述标记(24)并且用于从所述标记(24)的位置和排列确定所述扫描装置(21、21a、21b、21c)的测量朝向，和/或所述参照装置(30、30a、30b、70a、70b)包括距离图像获取单元，所述距离图像获取单元用于记录所述飞行器(20)的图像，其中，到所述飞行器(20)的依赖于周线和/或图像点的距离数据能够从该图像导出，并且能够从其确定所述测量朝向和/或所述测量位置，和/或所述飞行器(20)包括环境记录单元，所述环境记录单元用于记录测量环境中设置的位置标记，其中能够使用在图像上记录的标记的位置和朝向进行所述测量朝向和/或所述测量位置的确定。25.根据权利要求24所述的测量系统(10)，其特征在于，所述参照装置(30、30a、30b、70a、70b)包括倾斜传感器、磁力计、加速度传感器、转速传感器和/或速度传感器。26.根据权利要求24所述的测量系统(10)，其特征在于，所述扫描装置(21、21a、21b、21c)和/或所述飞行器(20)包括限定的图案、伪随机图案、条形码和/或发光二极管。27.根据权利要求24所述的测量系统(10)，其特征在于，所述记录单元(31、31a、31b)包括相机。28.根据权利要求24所述的测量系统(10)，其特征在于，所述距离图像获取单元包括RIM相机。29.根据权利要求24所述的测量系统(10)，其特征在于，所述环境记录单元包括相机。30.根据权利要求24所述的测量系统(10)，其特征在于，所述位置标记包括限定的图案或者伪随机图案。31.一种用于确定对象表面(65)的测量点的在外部对象坐标系中的3D坐标的方法，该方法具有以下步骤：·基于三角测量原理对所述对象表面(65)的测量点进行本地光学扫描，并且确定在内部扫描坐标系中的本地测量点坐标，·产生用于在所述外部对象坐标系中参照所述本地测量点坐标的参照信息，并且·根据所述本地测量点坐标和所述参照信息确定所述测量点在所述外部对象坐标系中的3D坐标，使得所述本地测量点坐标在所述外部对象坐标系中呈现为3D坐标，其特征在于，·本地扫描的移位通过无人、受控、自动的飞行器(20)而发生，以及·所述飞行器(20)在维持预限定范围的测量距离的同时在自动控制下相对于所述对象表面(65)移动，所述测量距离是以下的测量距离□将相应的当前确定的内部测量点坐标考虑在内的测量距离，和/或□将沿着数字模型限定的飞行路径(81、82)由所述数字模型预限定的对象表面考虑在内的测量距离，所述飞行器(20)在相对于所述对象表面(65)而被自动控制的同时根据外部测量位置和外部测量朝向并且根据到所述对象表面(65)的测量距离移动并且定向，和/或所述对象表面(65)的位置和/或目标轮廓是预限定的，和/或通过光学扫描来进行所述测量点的扫描，其中产生扫描条带，和/或使用用于确定测量点坐标的图像序列利用测量系统光学地进行，依赖于所述表面位置和所述表面轮廓确定所述飞行路径(81、82)，关于扫描行程、扫描时间、扫描精度、所述飞行器(20)的移动的稳定性、所述飞行器(20)的位置和朝向确定和/或防撞对所述飞行路径(81、82)和/或飞行速度进行优化。32.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：伯恩哈德·麦茨勒，克努特·西尔克斯，
申请(专利权)人：赫克斯冈技术中心，
类型：
国别省市：