具有角扫描速度的动态调整的激光扫描仪的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本文中所公开的主题涉及激光扫描仪，并且具体地，涉及能够基于表面几何形状的特性改变测量表面点的密度的激光扫描仪。
[0002]激光扫描仪是利用相干光源来测量和确定对象上的点的三维坐标的一种装置。激光扫描仪通常用于扫描封闭空间或开放空间(例如建筑物、工业设施和隧道的内部区域)。激光扫描仪可以用于多种用途，包括工业应用和事故再现应用。激光扫描仪可以用于通过获取表示体积内的对象的表面点来光学扫描和测量扫描仪周围的体积中的对象。通过将光束传送到对象上并且采集反射光或散射光以确定距离、两个角(即方位角和天顶角)以及可选的灰度值来获得这种表面点。原始扫描数据被采集、存储并且发送至一个或更多个处理器以生成表示扫描区域或对象的三维坐标和图像。为了生成图像，对于每个表面点采集至少三个值。这三个值可以包括距离和两个角，或者可以是变换值，如x、y、z坐标。
[0003]一些现代的激光扫描仪还可以包括相机，相机被安装到激光扫描仪上或集成到激光扫描仪中，用来收集环境的相机数字图像并且用来向操作者呈现相机数字图像。通过查看相机图像，操作者可以确定被测体积的范围，并且对激光扫描仪的设置进行调整以对空间的较大区域或较小区域进行测量。此外，可以将相机数字图像发送给处理器以对扫描仪图像添加颜色。为了生成彩色扫描仪图像，对于每个表面点采集至少六个值(三个位置值，例如X、y、z ;以及颜色值，例如红色值，绿色值和蓝色值或“RGB”)。
[0004]应理解，通过激光扫描仪获取表面点的三维坐标可以导致包括数百万表面点的大体积数据。为了充分地表示扫描体积内的对象或表面，这些表面点中的许多表面点是不需要的。在后处理期间可以删除一些无关的数据。然而，在操作期间获取的无关的数据会占据扫描仪的本地存储装置中的大量存储空间。
[0005]此外，在采集的3D测量值的分辨率与扫描速度之间存在权衡。可以在较短时间内采用较低分辨率来测量空间的给定区域，或者在较长时间内采用较高分辨率来测量空间的相同区域。根据被测对象的细节、表面轮廓的相对变化率、扫描仪数据中噪声量和相应所需的过滤量以及被测对象的特性和大小来确定时间与分辨率。如今，通过以从扫描仪发送至检测对象的光束的固定角速度来采集数据以对激光扫描仪进行操作。稍后将采集数据，并且如果需要更高的分辨率则进行附加扫描。
[0006]因此，尽管现有的激光扫描仪适于其预期目的，但是需要的是能够基于考量如扫描体积内测量的几何特征的特性来动态地适应获取的扫描速度和表面点获取的密度的激光扫描仪。
【发明内容】
[0007]根据本发明的一方面，提供了一种在测量表面的三维(3D)坐标过程中动态地调整由扫描仪发射的光束的角速度的方法。该方法包括设置扫描仪，该扫描仪具有光源、反射镜、第一电机、第二电机、第一角度测量装置、第二角度测量装置、测距仪和处理器，光源发射光束，第一电机使反射镜绕第一轴线旋转，第二电机使反射镜绕第二轴线旋转，反射镜具有镜面，第一轴线和第二轴线在镜面处的第一坐标系的原点处相交，其中，光束从光源朝向原点发送，光束从镜面反射至表面、从表面向镜面处的原点反射出去、以及从镜面反射至接收器，以及其中，第一角度测量装置对绕第一轴线的第一旋转角度进行测量，第二角度测量装置对绕第二轴线的第二旋转角度进行测量，以及测距仪至少部分地基于光束在空气中的速度对距离进行测量；使用处理器设置第一轴线的选定的第一角速度和第二轴线的选定的第二角速度，选定的第一角速度等于初始第一角速度，选定的第二角速度等于初始第二角速度；使用光源发射光束；通过针对表面上的多个第一点中的每个第一点执行一次下述步骤获得与所述多个第一点对应的多个3D坐标，所述步骤包括:
[0008]使用第一电机和第二电机以选定的第一角速度和选定的第二角速度移动光束，以及作为响应，使表面与光束在多个第一点中的一个第一点处相交；
[0009]使用第一角度测量装置测量第一旋转角度；
[0010]使用第二角度测量装置测量第二旋转角度；
[0011]使用测距仪测量第一距离；
[0012]使用处理器至少部分地基于第一旋转角度、第二旋转角度和第一距离来确定多个第一点中的一个第一点的3D坐标；
[0013]使用处理器至少部分地基于测量出的第一距离的一部分来计算质量测量；
[0014]使用处理器至少部分地基于质量测量设置选定的第一角速度和选定的第二角速度；以及
[0015]存储多个第一点的3D坐标。
[0016]根据本发明的另一方面，提供了一种在测量表面的三维(3D)坐标过程中动态地调整由扫描仪发射的光束的角速度的方法，该方法包括:
[0017]设置扫描仪，该扫描仪具有光源、第一电机、第二电机、第一角度测量装置、第二角度测量装置、测距仪和处理器，其中光源发射光束，第一电机使第一光束绕第一轴线旋转，第二电机使光束绕第二轴线旋转，第一角度测量装置对绕第一轴线的第一旋转角度进行测量，第二角度测量装置对绕第二轴线的第二旋转角度进行测量，测距仪至少部分地基于光束在空气中的速度对距离进行测量；选择选定的测量路径，该选定的测量路径是角度对的集合，所述角度对包括开始角度对、结束角度对以及多个中间角度对，角度对中的每个角度对包括第一期望角度和第二期望角度，第一期望角度与第一旋转角度对应以及第二期望角度与第二旋转角度对应；使用处理器设置选定的角速度等于初始角速度；在选定的测量路径中通过针对表面上的多个第一点中的每个第一点执行一次下述步骤获得与所述多个第一点对应的多个3D坐标，所述步骤包括:
[0018]使用光源发射光束；
[0019]使用第一电机和第二电机沿着选定的测量路径以选定的角速度移动光束，以及作为响应，使表面与光束在多个第一点中的一个第一点处相交；
[0020]使用第一角度测量装置测量第一旋转角度；
[0021]使用第二角度测量装置测量第二旋转角度；
[0022]使用测距仪测量第一距离；
[0023]使用处理器至少部分地基于第一旋转角度、第二旋转角度和第一距离来确定多个第一点中的一个第一点的3D坐标；
[0024]使用处理器至少部分地基于测量出的第一距离的一部分来计算质量测量；
[0025]使用处理器至少部分地基于质量测量来设置选定的角速度；以及
[0026]存储多个第一点的3D坐标。
[0027]根据本发明的另一方面，提供了一种通过扫描仪动态地调整用于获得表面的三维(3D)坐标的获取速率的方法，该方法包括:设置扫描仪，该扫描仪具有光源、第一电机、第二电机、第一角度测量装置、第二角度测量装置、测距仪和处理器，其中光源发射光束，第一电机使第一光束绕第一轴线旋转，第二电机使光束绕第二轴线旋转，第一角度测量装置对绕第一轴线的第一旋转角度进行测量，第二角度测量装置对绕第二轴线的第二旋转角度进行测量，测距仪至少部分地基于光束在空气中的速度对距离进行测量；选择选定的测量路径，该选定的测量路径是角度对的集合，所述角度对包括开始角度对、结束角度对以及多个中间角度对，所述角度对中的每个角度对包括第一期望角度和第二期望角度，第一期望角度与第一旋转角度对应以及第二期望角度与第二旋转角度对应；使用处理器将选定的3D坐标获取速率设置成初始3D坐标获取速率；在选定的测量路径中通过针对表面上的多个第一点中的每个第一点执行一次下述步骤获得与所述多个第一点对应的多个3D坐标，所述步骤包括:
[0028]使用光源发射光束；
[0029]使用第一电机和第二电机沿着选定的测量路径移动光束，以及作为响应，使表面与光束在多个第一点中的一个第一点处相交；
[0030]使用第一角度测量装置测量第一旋转角度；
[0031]使用第二角度测量装置测量第二旋转角度；
[0032]使用测距仪测量第一距离；
[0033]使用处理器至少部分地基于第一角度、第二角度和第一距离确定多个第一点中的一个第一点的3D坐标，以与选定的3D坐标获取速率对应的次数执行的3D坐标的确定；
[0034]使用处理器至少部分地基于测量出的第一距离的一部分来计算质量测量；
[0035]使用处理器至少部分地基于质量测量设置选定的3D坐标来获取速率；以及
[0036]存储多个第一点的3D坐标。
[0037]根据结合附图的下述说明，这些和其他优点和特征变得更加明显。
【附图说明】
[0038]在说明书的结论部分处的权利要求书中的权益特别地指出和清楚地声明了被视为本发明的主题。根据结合附图的以下详细描述，本发明的前述和其他特征和优点是明显的，在附图中:
[0039]图1是根据本发明的实施方式的激光扫描仪的立体图；
[0040]图2是图1中的激光扫描仪的侧面立体图；
[0041]图3是图1中的激光扫描仪的仰视图；
[0042]图4是图1中的对体积进行光学扫描和测量的激光扫描仪的示意图；
[0043]图5是图1中的激光扫描仪控制系统的框图；
[0044]图6是根据本发明的实施方式的图1中的激光扫描仪的包括由操作者使用的触摸屏的用户接口屏幕的图示；
[0045]图7是根据本发明的实施方式的使用可变表面点密度来测量体积的处理的流程图；
[0046]图8是根据本发明的实施方式的使用可变表面点密度来测量体积的处理的流程图；
[0047]图9是根据本发明的实施方式的使用可变表面点密度来测量体积的另一处理的流程图；
[0048]图10是具有包括高信息量分布的区域和包括低信息量的区域的扫描体积的图示;
[0049]图11是图1中的具有绕方位轴线的可变速度的激光扫描仪的俯视示意图；
[0050]图12是图1中的具有绕天顶轴线的可变反射镜速度的激光扫描仪的侧视示意图；
[0051]图13是根据本发明的实施方式的具有检流计镜装置的非接触式距离测量装置的不意图；以及
[0052]图14是根据本发明的实施方式的具有微电子机械系统(MEMS)反射镜的非接触式距离测量装置的示意图。
[0053]【具体实施方式】部分参照附图以示例的方式说明了本发明的实施方式、优点和特征。
【具体实施方式】
[0054]本发明的实施方式提供了当具有可变表面点密度或可变扫描速度或者两者都具有时可以获取扫描体积中的表面点的三维(3D)坐标的数据的激光扫描仪装置。本发明的实施方式提供了以下优点:减小当获取表面点的3D坐标数据时所需的本地存储量。本发明的实施方式提供了以下优点:减少完成测量的时间、以图形方式显示所获取的数据图像的时间以及用来存储3D数据的存储器。在一个实施方式中，基于根据品质因数对采集距离的评估动态地改变发送至3D测量表面的光束的角速度，其中品质因数可以取决于文中所讨论的各种因素。在一个实施方式中，扫描仪包括绕第一轴线和第二轴线旋转的反射镜，其中至少部分地基于根据品质因数测量的距离来动态地调整绕第一轴线和第二轴线的扫描速率。
[0055]在另一实施方式中，向扫描仪提供选定的测量路径并且根据品质因数至少部分地基于在测量期间由扫描仪沿着路径所采集的距离测量来动态地调整沿着路径运动的角速度。在另一实施方式中，向扫描仪