具有布局生成功能的距离测量系统的制作方法

本发明涉及一种包括距离测量(dm)装置和计算机单元的距离测量(dm)系统。所述dm装置包括电磁模块和惯性测量单元(imu)。计算机单元可以由dm装置或者由可以与dm装置通信的不同装置(诸如智能电话或平板计算机控制器)组成。

背景技术：

这种用于光学测量距离的dm装置在多年前就已经是已知的，并且目前已有数十万种dm装置用于非常广泛的应用，特别是在建筑工业中。dm装置可以用于对装置的测量挡块(stop)与物体的表面区域之间的距离进行光学测量，该距离测量范围从几分米到例如30米(精度为几毫米)。

在大多数实施方式中，为了测量距离，这种dm装置将经调制的射束经由透镜系统发射到待测物体。至少部分发射射束被物体的表面区域沿到装置的方向反射回来。被表面区域反射的射束经由距发射射束一定距离的透镜系统再次收集，并由装置的接收器转换成电信号。基于射束的传播速度，可以通过评估电信号来确定测量挡块与物体的表面区域之间的距离。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有改进的人体工程学并且用于在完成测量任务时节省时间和精力的dm系统。尤其是，根据本发明的dm系统、方法和计算机程序产品将通过自动地或半自动地生成利用dm系统获取的单点测量的连贯布局来实现对用户的支持。

本发明涉及一种包括dm装置和计算机单元的距离测量(dm)系统，所述dm装置包括测量射束单元和惯性测量单元(imu)，所述测量射束单元被配置为通过发射测量射束并接收该测量射束的来自物体的反射来确定物体与dm装置之间的距离的值，所述惯性测量单元(imu)被配置为确定dm装置相对于第一轴的绝对第一旋转位置以及dm装置相对于第二轴的绝对第二旋转位置，所述第一轴平行于测量射束，所述第二轴平行于重力场，其中，所述计算机单元被配置为从dm装置处接收以下项：多个测量距离值；针对所述多个测量距离值中的至少一个距离测量值，dm装置在相应距离测量时的绝对第一旋转位置；以及针对所述多个测量距离值中的每一个测量距离值，dm装置在相应距离测量时的绝对第二旋转位置，并且所述计算机单元被配置为通过基于多个测量距离值、至少一个绝对第一旋转位置以及绝对第二旋转位置连续地连接所测量的距离来生成布局。imu可以包括用于三个维度的加速度计(尤其是，陀螺仪和磁力计中的至少一个)。绝对第一旋转位置也可以被描述为“侧倾(roll)”，并且绝对第二旋转位置可以被描述为“偏转(yaw)”。然而，根据全局坐标系理解偏转，并且根据体坐标系(dm装置的主体)理解侧倾，尤其是在测量射束垂直于重力场大致对准(即沿水平面大致对准)的情况下。尤其是，针对多个测量距离值中的每一个测量距离值，dm装置在相应距离测量时的绝对第一旋转位置可由计算机单元接收。

计算机单元可以被配置为迭代地并且以使得第一测量的距离的起始点与最后测量的距离的终点之间的距离最小的方式来生成布局。

计算机单元可以被配置为针对多个测量距离值中的每一个测量距离值接收顺序指示符，其中，基于顺序指示符生成布局。所述顺序指示符指定以什么次序来提供距离测量，这例如可以利用时间标签或普通编号来实现。

计算机单元可以被配置为针对多个测量距离值中的从第二个起的每一个确定相对于相应的前一测量的相对第二旋转位置，其中，基于相对第二旋转位置生成布局。

计算机单元可以被配置为针对至少一个绝对第一旋转位置中的每一个确定是否满足第一标准和第二标准中的一个，其中，基于相应的满足标准生成布局。

计算机单元可以被配置为针对多个测量距离值中的接收到绝对第一旋转位置的各测量距离值确定连续指示符，所述连续指示符基于相应的满足标准、相应的相对第二旋转位置的量和方向以及顺序指示符来表示相对于相应的前一测量距离值的延续方向，并且其中，基于该连续指示符生成布局。尤其是，由顺序指示符限定所述延续。参照布局的顶视图，延续方向应理解为下一墙壁部分(距离值)相对于前一墙壁部分“转向”的位置。

可以通过相应的相对第二旋转位置的旋转量(例如角度)和旋转方向(例如，关于旋转是顺时针还是逆时针的代数符号)以及通过由相应的满足标准提供的代数符号来限定各个连续指示符，其中，第一标准使相对第二旋转位置的旋转方向反转，并且其中，第二标准确认相对第二旋转位置的旋转方向。

imu可以被配置为确定dm装置相对于第三轴的绝对第三旋转位置，所述第三轴垂直于重力场并且垂直于测量射束，其中，基于如下的测量距离值生成布局：针对该测量距离值，dm装置在相应的距离测量时的第三旋转位置位于包括水平面的预定范围内。绝对第三旋转位置也可以被描述为“俯仰(pitch)”。通过该功能，计算机单元可以确定或“确认”测量距离值属于房间的水平墙壁部分。

计算机单元可以被配置为基于布局和如下的测量距离值生成三维模型：对于该测量距离值，dm装置在相应的距离测量时的第三旋转位置位于包括竖直方向的范围内。换句话说，绝对第三旋转位置可以充当用于计算机单元的指示符，用于确定或决定dm装置是指向上还是指向下，并因此确定或决定dm装置是否正在测量房间的高度。

计算机还可以被配置为通过以使得第一测量距离的起始点与最后测量距离的终点之间的距离为零的方式调整连续指示符来优化布局。换句话说，该优化功能通过调整布局的拐角和/或边的角度来连接布局的开始和结束，以精确地产生封闭布局。

本发明还涉及利用根据本文说明书的dm系统生成布局的方法，所述方法包括：利用dm装置，为计算机单元提供以下各项：多个测量距离值；针对所述多个测量距离值中的至少一个距离测量值，提供dm装置在相应距离测量时的绝对第一旋转位置；针对所述多个测量距离值中的每一个，提供dm装置在相应距离测量时的绝对第二旋转位置，并且利用计算机单元，基于多个测量距离值、至少一个绝对第一旋转位置和绝对第二旋转位置，通过连续地连接所测量的距离来生成布局。

可以迭代地并且以使得第一测量距离的起始点与最后测量距离的终点之间的距离最小的方式来执行生成布局的步骤。

所述方法还可以包括：利用dm装置，针对多个测量距离值中的每一个测量距离值，为计算机单元提供顺序指示符，其中，基于该顺序指示符生成布局。

所述方法还可以包括：针对多个测量距离值中的从第二个起的每一个，利用计算机单元来确定相对于相应的前一测量的相对第二旋转位置，其中，基于相对第二旋转位置生成布局。

所述方法还可以包括：针对至少一个绝对第一旋转位置中的每一个，利用计算机单元来确定是否满足第一标准和第二标准中的一个，并且其中，基于相应的满足标准生成布局。

所述方法还可以包括：针对多个测量距离值中的接收到绝对第一旋转位置的各测量距离值，利用计算机单元来确定连续指示符，所述连续指示符基于相应的满足标准、相应的相对第二旋转位置的量和方向以及顺序指示符来表示相对于相应的前一测量距离值的延续方向，其中，基于连续指示符生成布局。

可以由相应的相对第二旋转位置的旋转量和旋转方向以及由相应的满足标准提供的代数符号限定各个连续指示符，其中，第一标准使相对第二旋转位置的旋转方向反转，并且其中，第二标准确认相对第二旋转位置的旋转方向。由相应的满足标准提供的代数符号可以被认为是偏转(相对第二旋转位置)的“校正”因子。

所述方法还可以包括：利用imu确定dm装置相对于第三轴的绝对第三旋转位置，所述第三轴垂直于重力场并垂直于测量射束，并且其中，基于如下的测量距离值生成布局：对于该测量距离值，dm装置在相应距离测量时的第三旋转位置位于包括水平面的预定范围内。

所述方法还可以包括：利用计算机单元，基于布局和如下的测量距离值生成三维模型：对于该测量距离值，dm装置在相应的距离测量时的第三旋转位置位于包括竖直方向的范围内。

所述方法还可以包括：利用计算机单元，通过以使得第一测量距离的起始点与最后测量距离的终点之间的距离为零的方式调整连续指示符来优化布局。

本发明还涉及一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在机器可读介质上的程序代码或实现为电磁波的计算机数据信号，以执行根据本文说明书的方法，尤其是在根据本文说明书的dm系统的计算机单元中执行的方法。

附图说明

在下文中，将通过参照附图所伴随的示例性实施方式来详细描述本发明，其中：

图1示出了根据本发明实施方式的dm装置、偏转轴(世界坐标系)、侧倾轴(体坐标系)和俯仰轴(体坐标系)；

图2示出了根据本发明的一个实施方式的用于确定墙壁部分的延续方向的规则；

图3由顶视图示出了沿着房间的墙壁的多个距离测量，根据本发明实施方式的系统被配置为基于所述多个距离测量来生成所述房间的连贯布局；

图4示出了根据本发明特定实施方式的布局优化中涉及的项；

图5示出了作为根据本发明特定实施方式的布局优化的结果的优化布局；

图6示出了图5或图3的布局通过一个垂直测量距离值获得第三维度以形成3d模型。

具体实施方式

图1示出了根据本发明示例性实施方式的距离测量(dm)装置(也称为测距仪)。原则上，可以从leicadisto^tm产品系列中获知这样的装置。

在传统形式中，激射束用于测量dm装置与物体之间的距离。尤其是，发射激光信号并且由dm装置接收从物体反向散射的激光信号。基于飞行时间(tof)原理，可以非常精确地确定距离。

所确定的距离可以参考dm装置的前边缘或后边缘或dm装置上的任何静态或动态参考标记。这样，dm装置在测量期间的使用方式是可变的。尤其是，可以在dm装置的用户界面(ui)中设置距离测量将参考的位置。

然而，根据本发明的dm装置不限于这样的实施方式，并且可以基于激光以外的辐射(例如声波)来工作。

dm装置可以具有计算机单元和/或可以(经由有线或无线数据连接)连接到由另一外部装置(诸如智能电话或平板计算机控制器)承载的这种计算机单元。计算机单元也可以设置在固定的计算机(例如，建筑工地上的服务器)中。

根据本发明，这种计算机单元被配置为基于多个测量距离和dm装置的惯性测量单元(imu)的输出来生成房间的连贯布局。尤其是，计算机单元被配置为基于所生成的布局以及表示房间高度的至少一个另外的测量距离值来生成房间的三维模型。这些功能将借助于以下附图来说明。

当测量第一距离时，并不知道该墙壁部分相对于前一墙壁部分如何对齐。当测量第二距离(即第二墙壁部分)时，检测到在两次测量之间发生的相对偏转运动。该相对偏转(相对第二旋转位置)是墙壁部分的延续方向的粗略指示。然而，当生成布局时，可能会引入关于下一墙壁部分相对于前一墙壁部分沿哪个方向对齐的一些不定性。

图2示出了示例性规则，基于该规则，计算机单元可以在生成布局的过程(即如何连接测量距离以便生成连贯布局)中带来更多的确定性。每次在距离测量期间满足标准时，可以应用该选择决定。根据该示例的第一标准是，侧倾位于位置1(其借助于负因子使所测量的偏转反转)，并且第二标准是，侧倾位于位置2(其借助于正因子确认所测量的偏转)。

在满足任何标准的情况下，计算机单元可以使用该表。位置1可以被定义为：当向左测量时，dm装置的显示器面向墙壁，或者当向右测量时，面向房间的内部(左和右是从用户的角度而言的，用户面向墙壁)。

位置2可以被定义为：当向左测量时，dm装置的显示器背对墙壁(朝向房间内部)。换句话说，位置2可以被定义为：当向右测量时，dm装置的显示器面向墙壁。

可以理解，imu可以确定属于定义问题的这样的取向。

代替位置(1/2)，也可以将一系列旋转位置定义为满足相应的标准。代替显示器，dm装置的任何其它参考元件可以用于这种位置定义。

当用户已经可以预期算法中可能出现不定性时，他可以在给予dm装置确定位置的同时有意执行这样的测量。例如，由于所测量的偏转是正确的，所以位置2被定义为增加确定性，并且由于所测量的偏转应该被反转，所以位置1被定义为增加确定性。

在该示例中，如果将测量距离值分配给满足标准“侧倾位置2”的绝对第一旋转位置(侧倾)，则在生成布局的过程中给予该测量距离值更多的权重。这可以利用相应的确认继续指示符来实现。

不伴随有绝对第一旋转位置(例如，当dm装置的显示器面朝上或朝下时)的测量距离值可以不太强烈地加权，作为候选，针对这种情况，延续方向可以是顺时针或逆时针。迭代过程可以通过检查起始点与结束点之间的距离在哪个组合下是最小的来找出更合理的组合。

如果将测量距离值分配给满足标准“侧倾位置1”的绝对第一旋转位置(侧倾)，则在生成布局的过程中，给予该测量距离值更多的权重。这可以利用相应的反转连续指示符来实现。

侧倾(或侧倾角度)可以被定义为dm装置相对于第一轴的第一旋转位置，所述第一轴平行于测量射束。换句话说，第一轴在体坐标系(dm装置的主体)中具有其参照物。

偏转(或偏转角度)可以被定义为dm装置相对于第二轴的第二旋转位置，所述第二轴平行于重力场。换句话说，第二轴在世界坐标系中具有其参照物(独立于dm装置)。

如果偏转相对于前一测量以顺时针(cw)改变(用“+”符号表示)并且满足标准，则计算机单元可以在表的上行中查找。如果偏转相对于前一测量以逆时针(ccw)改变(用“-”符号表示)并且满足标准，则计算机单元可以在表的下行中查找。

因此，给出一个示例，如果dm装置在某个测量期间的姿势相对于dm装置在前一测量期间的姿势使得侧倾处于确认位置2并且偏转逆时针转动，则计算机单元可以给予以下假设更多的权重：当前测量距离沿逆时针方向偏离前一距离。

换句话说，根据预定的侧倾位置，可以更清楚地确定所确定的偏转是正确的还是应该被反转的。在优选实施方式中，每个测量都将满足标准，从而使得生成布局的过程最稳定。

图3示出了示例性房间勘测的单次测量，其中，计算机单元可以生成房间的布局。从顶视图角度示出了该房间，并且墙壁部分的线表示当dm装置捕获到该墙壁部分时所述部分的距离或长度。作为通用装置的常见用法，dm装置抵靠着边缘定位到另一墙壁部分，以便具有作为起始点的参考点。也就是说，在第一测量位置1处，dm装置以其后端保持抵靠与当前测量的部分成90°角的墙壁部分(参见9；将在最后测量)。在图3所示的示例中，所有测量都是这样进行的，并且dm装置被设置为记录以其后端作为起始点参考点的距离。然而，也可以根据情况(例如，在测量4、5、7和8中)使用dm装置的前端作为挡块来保持抵靠边缘，其中，dm装置具有从后端到前端设置参考点的功能。另选地，dm装置上的在后端与前端之间的任何位置都可以用作参考点。例如，在dm装置的实施方式中，dm装置上的显示器可以显示任何期望位置处的标记。

所示的测量都在dm装置的某一侧背对墙壁时发生。然而，根据本发明，不一定针对每次测量都产生dm装置的这种特定对齐。可以通过接收已被检查是否满足上述标准之一的至少一个绝对第一旋转位置来改进布局。

如果dm装置具有例如显示器和/或小键盘，则该显示器和/或小键盘可以是用作参考(即面向相对于墙壁的预定方向)的优选侧。若这样进行，则因为具有显示器的一侧背对墙壁，所以计算机单元可以通过图2所示的规则确定在测量2期间(以及在测量3、6和9期间)，侧倾处于确认位置。

现在，在测量4中，情况已经改变，因为该测量是“向后”进行的，以避免使用目标板。也就是说，如果该测量是从右上角进行的(这样侧倾将仍在位置2)，则必须将目标板放置在左边的边缘处(在该边缘处，针对测量5放置了dm装置)。由于需要另一个人来握住板或固定装置，因此该步骤因为测量是从“向后”的边缘进行的而可以得到简化。这导致侧倾处于位置1，即翻转dm装置。

由于当相对于测量3看测量4时所述侧倾是反转的，所以计算机单元将dm装置在测量位置3中的相对偏转角度相对于测量位置4进行反转。所述相对偏转角度本身是顺时针的，但是由于反转，所以计算机单元知道当从3到4时，墙壁部分实际上进行了逆时针转动。

测量4与5之间也是如此。来自于偏转角度检测的原始数据表明，对于在4和5处测量的长度，将发生逆时针方向的转动。然而，实际上，墙壁部分5相对于墙壁部分4进行了顺时针转动。因为当相对于测量位置5考虑测量位置4时，dm装置相对于第一轴进行翻转，所以所确定的相对旋转位置(偏转)被反转并且绘制出正确的布局。

无论偏转位置被确认或被反转，在生成布局时，该延续方向都将被认为更可能是真实的(更合理的)。

由于测量不完美，在布局中可能会产生小的间隙。图4示出了具有两个纵向分量和角度误差分量的间隙的详细视图。利用可选的布局优化功能，可以通过调整角度a1至a9来闭合该间隙。距离被认为是正确的，这就是为什么只调整角度的原因。

例如，优化功能可以基于以下假设：相当接近某些预定角度(诸如+90°和-90°)的角度被设置成或迭代地接近这样的“完美”角度，直到间隙闭合。相反，“特殊”角度(诸如a2和a3)可以可选地从布局的再生中排除，并且所有误差“转移”到a2和a3中，所有其它角度设置为完美的+90°和-90°。

即使在现实中墙壁部分之间的角度从未被完美地构造成矩形并且总是有一些偏差，根据图5所示的优化功能产生的布局也可以使得具有“完美”角度，当然，该“完美”角度总和为-360°。

图6示出了本发明的另一实施方式，其中，图5的(优化的)或图3的(未优化的)布局可以通过至少按时测量地板与屋顶之间的距离来获得产生房间3d模型的第三维度。

计算机单元可以被配置为通过监视imu自动地将该测量距离值检测为房间的高度。在这种情况下，在测量时，dm装置相对于第三轴(所述第三轴垂直于重力场并垂直于测量射束)的绝对第三旋转位置位于包括垂直轴(与重力场平行)的范围内。简言之，当dm装置向上或向下时，计算机单元将当前测量值检测为天花板高度，并因此生成3d模型。如果2d布局尚未完成，则计算机单元“记住”所确定的高度并在布局完成时生成3d模型。

因此，计算机单元可以同样地通过读取imu并检测第三旋转位置位于水平面(垂直于重力场)周围的预定范围内来检测所有水平(墙壁部分)测量。这种自动识别功能(无论所测量的长度是水平的还是垂直的)是可选的。在本发明的更一般的实施方式中，假设测量是水平的，并且可以在最终完成布局之后添加垂直分量。

从不同的角度来看，本发明可以另选地描述如下：

本发明涉及一种存储在计算机单元上的房间布局生成计算机程序产品，该房间布局生成计算机程序产品适于与手持edm模块结合使用，该手持edm模块被构建用于确定：

-沿测量轴的距离，

-相对于重力场和地磁场的惯性和绝对取向值，

房间布局生成计算机程序执行房间布局生成功能，这至少部分地自动运行，针对所述房间布局生成功能，定义n个墙壁测量的过程，其中，墙壁测量应在手持edm模块的相应对准中并且以房间的墙壁的连续的顺序来执行，并且其中，在房间布局生成功能的上下文中，针对n个墙壁测量中的每一个，计算机单元正在进行接收和登记，

-第n个测量距离，

-第n个测量惯性和绝对取向值，

并且其中，计算机单元基于相应的第n个数据，通过使用墙壁测量的给定顺序、分别指定的惯性和绝对取向以及优化算法，来自动生成房间布局，其中，所述优化算法是，

-基于单个墙壁方向的代数符号的变化来优化墙壁路径的开始和结束的闭合(即，开始与结束之间的增量被最小化)，并且

-在选择相应代数符号时，另外考虑标准，该标准基于手持edm模块相对于墙壁的取决于所测量的惯性和绝对取向的预期取向。

一旦完成所有测量，就可以计算布局。然后，优化器可以基于通过考虑显示器的取向而获得的测量线的顺序来“尝试”获得房间形状。如果显示器面朝房间，则这个取向很可能是正确的。

决定是向前还是向后测量线的计算可以在应用内完成。如果用户测量了所有距离并且然后按下“闭合房间”，则可以特别地进行该计算。然后，优化器可以通过在优化范围内对显示器面向房间的方向进行比显示器面向天花板的测量更大的加权来尝试每条及所有的线的各个方向。显示器面向墙壁的测量可以进行最小加权(或者进行很大的加权，因为它们是错误的或反转的)。

另外，优化可以基于“故障距离”，其中，在不改变偏转角的情况下，房间在最后一条线与第一条线之间未闭合。通过仅朝着优选角度(例如90°)修改偏转角并且闭合距离等于零来将该距离优化为最小可能距离。针对存在用于闭合优化的多于一个的等效解决方案的情况，可以有效地考虑该标准。第n个测量惯性和绝对取向值可以被转换成相对于房间系统的偏转角，然后可以在相应角度的计算中考虑相应的第n个偏转角，所述相应角度由两个相邻墙壁定义。

可以将第n个测量惯性和绝对取向值转换成相对于房间系统的俯仰角，然后可以考虑将相应的俯仰角用于测量距离值的倾斜补偿，以使得能够确定水平墙壁长度。

第n个测量惯性和绝对取向值可以转换成手持edm模块相对于房间系统的侧倾角度，然后可以在“翻转”墙壁方向时考虑相应的第n个侧倾角度，特别是在标准内。

本发明还涉及一种系统，所述系统包括根据上文说明书的计算机单元以及用于对沿测量轴的距离、相对于重力场和地磁场的惯性和绝对取向值进行确定的手持edm模块，其中，在计算机单元与手持edm模块之间提供数据通信连接，并且其中，来自第n个墙壁测量的测量值被传输到计算机单元。

所述计算机单元和所述手持edm模块可以一起形成一种具有一个壳体的手持装置。手持edm模块还可以集成到手持装置中，并且计算机单元可以集成在远程装置中，尤其是集成在智能电话或平板计算机中。

尽管在上文部分地参考一些优选实施方式对本发明进行了例示，但必须理解，可以对实施方式的不同特征进行多种修改和组合。所有这些修改都在所附权利要求书的范围内。