用于确定对象的取向的方法和装置的制造方法
【专利说明】用于确定对象的取向的方法和装置
[0001]本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的一种用于激光跟踪仪以及利用激光跟踪仪确定对象的取向的方法、根据权利要求11所述的具有对应功能的激光跟踪仪以及根据权利要求15所述的计算机程序产品。
[0002]为了连续跟踪目标点并确定该点的坐标位置而实现的测量装置通常可(特别是与工业测绘结合)总称为术语激光跟踪仪。在这种情况下，目标点可通过回射单元(例如，立方棱镜)来表示，利用测量装置的光学测量光束(特别是激光束)来瞄准该回射单元。激光束被平行地反射回测量装置，在测量装置中利用装置的捕获单元来捕获反射光束。在这种情况下，例如，利用用于角度测量的传感器来确定光束的发射或接收方向，所述传感器与系统的偏转反射镜或瞄准单元关联。另外，例如，利用运行时间或相位差测量或者利用斐索(Fizeau)原理，通过光束的捕获来确定从测量装置到目标点的距离。
[0003]另外，在现代跟踪仪系统中，在传感器上确定接收的测量激光束相对于所谓的伺服监测点的偏离(越来越成为标准特征)。利用这种可测量的偏离，可确定回射器的中心与激光束在反射器上的入射点之间的位置差，并且可根据此偏离来校正或跟踪激光束的对准，使得传感器上的偏离减小(特别是为“零”)，因此光束对准反射器中心的方向。通过跟踪激光束对准，可执行目标点的连续目标跟踪(跟踪)，并且可连续确定目标点相对于跟踪仪系统的距离和位置。在这种情况下，可利用偏转反射镜(可通过电机来移动，设置用于使激光束偏转)的对准变化和/或通过瞄准单元(具有光束引导激光光学器件)的枢转来实现跟踪。
[0004]在所描述的目标跟踪之前必须将激光束锁定在反射器上。为此，在跟踪仪上可另外布置具有位置敏感传感器并且具有相对大的视野的捕获单元。另外，在所讨论的类型的装置中，集成有附加照明装置，利用该附加照明装置来对目标或反射器进行照明，特别是利用与距离测量装置的波长不同的限定波长。在这种情况下传感器可被实现为对该特定波长左右的范围敏感，(例如)以减小或完全防止外部光影响。利用该照明装置，可对目标进行照明，并且利用相机，可捕获具有被照明的反射器的目标的图像。通过描绘传感器上的特定(波长特定)反射，可分辨出图像中的反射位置，因此可确定相对于相机的捕获方向以及朝目标或反射器的方向的角度。具有这种目标搜索单元的激光跟踪仪的实施方式可从例如WO2010/148525 Al 了解。根据这样可推导的方向信息，测量激光束的对准可改变，使得激光束与激光束将要锁定到其上的反射器之间的距离减小。
[0005]现有技术的激光跟踪仪具有至少一个用于距离测量的测距仪，其中，所述测距仪可被实现为例如干涉仪。由于这些距离测量单元仅可测量相对距离变化，所以在目前的激光跟踪仪中除了干涉仪以外还安装了所谓的绝对距离测量仪。例如，用于距离确定的测量装置的这种组合可通过莱卡测量系统有限公司(Leica Geosystems AG)的产品AT901来了解。另外，使用HeNe激光器进行距离确定的绝对距离测量仪和干涉仪的组合可从(例如)WO 2007/079600 Al 了解。
[0006]根据现有技术的激光跟踪仪可另外具体实现为具有光学图像捕获单元，该光学图像捕获单元具有二维感光阵列(例如，CCD或CID相机或者基于CMOS阵列的相机)或者具有像素阵列传感器并且具有图像处理单元。在这种情况下，激光跟踪仪和相机可一个叠另一个地安装，特别是按照其相对于彼此的位置不可变化的方式安装。例如，相机可随激光跟踪仪一起绕其基本上垂直的轴旋转，但是可独立于激光跟踪仪上下枢转，因此与特别是激光束的光学器件分离地布置。另外，相机(例如，依赖于相应应用)可被具体实现为仅可绕一个轴枢转。在另选实施方式中，相机可随激光光学器件一起按照集成构造安装在共享的壳体中。
[0007]通过所谓的测量辅助仪器或者带有标记(其彼此的相对位置已知)的测量辅助对象的图像的捕获和分析(利用图像捕获和图像处理单元)，可推断仪器和布置在测量辅助仪器上的对象(例如，探针)在空间中的取向。随所确定的目标点的空间位置一起，另外可精确地确定对象在空间中的绝对位置和取向和/或相对于激光跟踪仪的位置和取向(6DoF确定:六自由度的确定)。
[0008]这些测量辅助仪器可通过所谓的扫描工具来具体实现，所述扫描工具被定位成使得其接触点在目标对象的点上。扫描工具具有标记(例如，发光二极管(LED))和反射器(表示扫描工具上的目标点)并且可利用跟踪仪的激光束来瞄准，其中，标记和反射器相对于扫描工具的接触点的位置是精确已知的。按照本领域技术人员已知的方式，测量辅助对象也可以是为距离测量(例如，为无接触表面测绘)配备的手持扫描仪，其中，用于距离测量的扫描仪测量光束相对于布置在扫描仪上的发光二极管和反射器的方向和位置是精确已知的。这种扫描仪在(例如)EP 0553266中有所描述。
[0009]利用具有捕获的并且良好(即，特别是完整)成像的发光二极管的图像以及(优选地)对象上的发光二极管的已知布置方式来可靠地确定测量辅助对象的空间取向(6DoF测量)。可利用图像分析从其推导测量辅助对象在空间中的取向。
[0010]在这种6DoF测量中，借助于已知的几何学并且利用相机的内部取向的知识来计算空间后方交会(spatial resect1n)，并且从其确定测量辅助对象的取向。然而，如果各个LED对于相机而言至少部分地不可见，则空间后方交会的结果变得不太精确(S卩，随机测量不确定性增加)。
[0011 ] 如果一个或更多个LED被部分地隐藏，则出现特别不利的情况，使得对于相应LED的光斑，在捕获的图像中计算的图像坐标系统性地劣化。结果，随着各个图像坐标的劣化，后方交会的结果以及因此测量辅助对象的空间取向的确定系统性地劣化。
[0012]因此，本发明的目的是提供一种用于减小或防止上述测量误差的改进的方法和改进的装置。
[0013]本发明的特殊目的是提供一种改进的激光跟踪仪，其利用在对象的图像中捕获的光斑的分析来更可靠地确定对象的取向，特别是其中，减小并防止了在光斑至少部分地隐藏的情况下出现的测量误差。
[0014]这些目的通过实现独立权利要求的特征来实现。可从从属权利要求推知以替代或有利方式拓展本发明的特征。
[0015]本发明涉及一种用于激光跟踪仪以及利用激光跟踪仪确定测量辅助对象的空间取向的方法，该测量辅助对象具有按照限定的空间关系附接并提供光斑的基准特征。激光跟踪仪具有:基座，其限定竖直轴；支撑件，其可通过电机相对于基座绕竖直轴枢转；枢转单元，其可通过电机相对于支撑件绕倾斜轴旋转，并具有用于捕获光斑的图像的图像捕获单元；以及辐射源，其用于发射激光束。另外，提供利用激光束测量到测量辅助对象的距离的距离测量单元以及确定激光束相对于基座的发射方向的角度测量功能。
[0016]在根据本发明的方法的范围内，在测量辅助对象的方向上捕获具有光斑的图像，所述光斑可各自根据至少一个位置和/或测量辅助对象的对准来捕获，并且利用图像分析从图像中捕获的光斑在图像中的图像位置来推导测量辅助对象的空间取向。
[0017]根据本发明，针对图像分析限定关于图像中的各个光斑的外观的局部考虑标准，或者针对图像分析限定关于图像中的多个光斑之间的位置关系的全局考虑标准。另外，针对图像中捕获的至少一个光斑执行是否满足局部或全局考虑标准的检查(特别是通过将捕获的图像中针对所述至少一个捕获的光斑呈现的图像信息项与局部或全局考虑标准进行比较)。如果不满足(局部或全局)考虑标准，则对于空间取向的推导，图像中捕获的所述至少一个光斑被以缩减形式加权，特别是被排除。
[0018]S卩，检查图像中针对一个或更多个光斑呈现的特性是否对应于一个或更多个光斑的设定点特性，并且基于该检查，为取向确定推断光斑的考虑或缩减加权(尤其是不考虑)。
[0019]基准特征可被特别是实现为发射特定波长范围内的光(特别是发射红外光)的发光二极管(LED)。
[0020]与根据本发明的方法的特定实施方式对应，局部考虑标准限定图像中的至少一个光斑的外观的至少一个图像属性，特别是限定设定点形状和/或设定点空间延伸和/或设定点亮度分布和/或设定点总强度和/或设定点对比度作为图像基准。
[0021]在这种情况下，根据本发明的典型实施方式，是否满足局部考虑标准的检查基于图像中的(各个)LED描绘(或者基准特征的描绘)的各个观测来进行。为此，不需要知道测量辅助对象上的LED的相对空间布置方式。
[0022]在这种情况下为了标识被部分覆盖的LED，使用描绘相对于基准或标准(=考虑标准)的偏离。从光学计算获得的理想描绘或者提供的基准特征的实验值可用作所述基准或标准。
[0023]根据此实施方式的方法能够与图像中的成像的LED的总数无关地应用，因此适用于单个LED。另外，不需要知道相机的取向。
[0024]特别是，在这种情况下，可针对测量辅助对象(例如，测量探测器)与相机之间的可能距离，并且还针对可以想到的测量辅助对象相对于相机的取向，来存储理想描绘，其中，这些理想描绘可表示特别是从真实观测确定的“经验值”。
[0025]尤其是，在这种情况下，图像中的LED的描绘通过例如像素数、最大亮度(最亮像素)、总强度(所有灰度值的总计)、形状和/或轮廓(例如，基于LED的有源区域的形状或者无源目标标志的轮廓以及光学计算)、图像内的亮度分布(单色或光谱)和/或图像锐度的图像属性来表征。如果一个或更多个属性偏离于基准值或者标准值，则这可被识别并且可以是相应LED局部隐藏的指示。
[0026]特别是，关于图像中的LED的光斑的亮度分布的评估，可重复地计算LED的该描绘的图像坐标，其中，改变各个参数，并且使用因此导致的图像坐标的组内的偏离作为相对于预期亮度分布的偏离的标准。
[0027]用于此目的的参数变量是(例如)亮度阈值(阈值)、暗帧减影(偏移)、焦点计算方法(例如，二元、线性或平方焦点)、曝光时间和/或根据彼此分离的各个像素颜色的焦点计算。
[0028]关于全局或局部考虑标准的限定或建立，可根据本发明特别是从捕获的图像，特别是从图像中的光斑的相应图形描绘，特别是从光斑的相应图形描绘的比较，来推导此考虑标准(除了在激光跟踪仪的数据库中提供该标准，另选地或另外地)。
[0029]在这种情况下，根据本发明的检查基准特征在图像捕获期间是否部分隐藏地设置的另一实施方式涉及比较图像中捕获的所有基准特