用于確定對(duì)象的取向的方法和裝置的制造方法
【專利說(shuō)明】用于確定對(duì)象的取向的方法和裝置
[0001]本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的一種用于激光跟蹤儀以及利用激光跟蹤儀確定對(duì)象的取向的方法、根據(jù)權(quán)利要求11所述的具有對(duì)應(yīng)功能的激光跟蹤儀以及根據(jù)權(quán)利要求15所述的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
[0002]為了連續(xù)跟蹤目標(biāo)點(diǎn)并確定該點(diǎn)的坐標(biāo)位置而實(shí)現(xiàn)的測(cè)量裝置通?？?特別是與工業(yè)測(cè)繪結(jié)合)總稱為術(shù)語(yǔ)激光跟蹤儀。在這種情況下，目標(biāo)點(diǎn)可通過(guò)回射單元(例如，立方棱鏡)來(lái)表示，利用測(cè)量裝置的光學(xué)測(cè)量光束(特別是激光束)來(lái)瞄準(zhǔn)該回射單元。激光束被平行地反射回測(cè)量裝置，在測(cè)量裝置中利用裝置的捕獲單元來(lái)捕獲反射光束。在這種情況下，例如，利用用于角度測(cè)量的傳感器來(lái)確定光束的發(fā)射或接收方向，所述傳感器與系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)反射鏡或瞄準(zhǔn)單元關(guān)聯(lián)。另外，例如，利用運(yùn)行時(shí)間或相位差測(cè)量或者利用斐索(Fizeau)原理，通過(guò)光束的捕獲來(lái)確定從測(cè)量裝置到目標(biāo)點(diǎn)的距離。
[0003]另外，在現(xiàn)代跟蹤儀系統(tǒng)中，在傳感器上確定接收的測(cè)量激光束相對(duì)于所謂的伺服監(jiān)測(cè)點(diǎn)的偏離(越來(lái)越成為標(biāo)準(zhǔn)特征)。利用這種可測(cè)量的偏離，可確定回射器的中心與激光束在反射器上的入射點(diǎn)之間的位置差，并且可根據(jù)此偏離來(lái)校正或跟蹤激光束的對(duì)準(zhǔn)，使得傳感器上的偏離減小(特別是為“零”)，因此光束對(duì)準(zhǔn)反射器中心的方向。通過(guò)跟蹤激光束對(duì)準(zhǔn)，可執(zhí)行目標(biāo)點(diǎn)的連續(xù)目標(biāo)跟蹤(跟蹤)，并且可連續(xù)確定目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于跟蹤儀系統(tǒng)的距離和位置。在這種情況下，可利用偏轉(zhuǎn)反射鏡(可通過(guò)電機(jī)來(lái)移動(dòng)，設(shè)置用于使激光束偏轉(zhuǎn))的對(duì)準(zhǔn)變化和/或通過(guò)瞄準(zhǔn)單元(具有光束引導(dǎo)激光光學(xué)器件)的樞轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)跟蹤。
[0004]在所描述的目標(biāo)跟蹤之前必須將激光束鎖定在反射器上。為此，在跟蹤儀上可另外布置具有位置敏感傳感器并且具有相對(duì)大的視野的捕獲單元。另外，在所討論的類型的裝置中，集成有附加照明裝置，利用該附加照明裝置來(lái)對(duì)目標(biāo)或反射器進(jìn)行照明，特別是利用與距離測(cè)量裝置的波長(zhǎng)不同的限定波長(zhǎng)。在這種情況下傳感器可被實(shí)現(xiàn)為對(duì)該特定波長(zhǎng)左右的范圍敏感，(例如)以減小或完全防止外部光影響。利用該照明裝置，可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照明，并且利用相機(jī)，可捕獲具有被照明的反射器的目標(biāo)的圖像。通過(guò)描繪傳感器上的特定(波長(zhǎng)特定)反射，可分辨出圖像中的反射位置，因此可確定相對(duì)于相機(jī)的捕獲方向以及朝目標(biāo)或反射器的方向的角度。具有這種目標(biāo)搜索單元的激光跟蹤儀的實(shí)施方式可從例如WO2010/148525 Al 了解。根據(jù)這樣可推導(dǎo)的方向信息，測(cè)量激光束的對(duì)準(zhǔn)可改變，使得激光束與激光束將要鎖定到其上的反射器之間的距離減小。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)的激光跟蹤儀具有至少一個(gè)用于距離測(cè)量的測(cè)距儀，其中，所述測(cè)距儀可被實(shí)現(xiàn)為例如干涉儀。由于這些距離測(cè)量單元僅可測(cè)量相對(duì)距離變化，所以在目前的激光跟蹤儀中除了干涉儀以外還安裝了所謂的絕對(duì)距離測(cè)量?jī)x。例如，用于距離確定的測(cè)量裝置的這種組合可通過(guò)萊卡測(cè)量系統(tǒng)有限公司(Leica Geosystems AG)的產(chǎn)品AT901來(lái)了解。另外，使用HeNe激光器進(jìn)行距離確定的絕對(duì)距離測(cè)量?jī)x和干涉儀的組合可從(例如)WO 2007/079600 Al 了解。
[0006]根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的激光跟蹤儀可另外具體實(shí)現(xiàn)為具有光學(xué)圖像捕獲單元，該光學(xué)圖像捕獲單元具有二維感光陣列(例如，CCD或CID相機(jī)或者基于CMOS陣列的相機(jī))或者具有像素陣列傳感器并且具有圖像處理單元。在這種情況下，激光跟蹤儀和相機(jī)可一個(gè)疊另一個(gè)地安裝，特別是按照其相對(duì)于彼此的位置不可變化的方式安裝。例如，相機(jī)可隨激光跟蹤儀一起繞其基本上垂直的軸旋轉(zhuǎn)，但是可獨(dú)立于激光跟蹤儀上下樞轉(zhuǎn)，因此與特別是激光束的光學(xué)器件分離地布置。另外，相機(jī)(例如，依賴于相應(yīng)應(yīng)用)可被具體實(shí)現(xiàn)為僅可繞一個(gè)軸樞轉(zhuǎn)。在另選實(shí)施方式中，相機(jī)可隨激光光學(xué)器件一起按照集成構(gòu)造安裝在共享的殼體中。
[0007]通過(guò)所謂的測(cè)量輔助儀器或者帶有標(biāo)記(其彼此的相對(duì)位置已知)的測(cè)量輔助對(duì)象的圖像的捕獲和分析(利用圖像捕獲和圖像處理單元)，可推斷儀器和布置在測(cè)量輔助儀器上的對(duì)象(例如，探針)在空間中的取向。隨所確定的目標(biāo)點(diǎn)的空間位置一起，另外可精確地確定對(duì)象在空間中的絕對(duì)位置和取向和/或相對(duì)于激光跟蹤儀的位置和取向(6DoF確定:六自由度的確定)。
[0008]這些測(cè)量輔助儀器可通過(guò)所謂的掃描工具來(lái)具體實(shí)現(xiàn)，所述掃描工具被定位成使得其接觸點(diǎn)在目標(biāo)對(duì)象的點(diǎn)上。掃描工具具有標(biāo)記(例如，發(fā)光二極管(LED))和反射器(表示掃描工具上的目標(biāo)點(diǎn))并且可利用跟蹤儀的激光束來(lái)瞄準(zhǔn)，其中，標(biāo)記和反射器相對(duì)于掃描工具的接觸點(diǎn)的位置是精確已知的。按照本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方式，測(cè)量輔助對(duì)象也可以是為距離測(cè)量(例如，為無(wú)接觸表面測(cè)繪)配備的手持掃描儀，其中，用于距離測(cè)量的掃描儀測(cè)量光束相對(duì)于布置在掃描儀上的發(fā)光二極管和反射器的方向和位置是精確已知的。這種掃描儀在(例如)EP 0553266中有所描述。
[0009]利用具有捕獲的并且良好(即，特別是完整)成像的發(fā)光二極管的圖像以及(優(yōu)選地)對(duì)象上的發(fā)光二極管的已知布置方式來(lái)可靠地確定測(cè)量輔助對(duì)象的空間取向(6DoF測(cè)量)?？衫脠D像分析從其推導(dǎo)測(cè)量輔助對(duì)象在空間中的取向。
[0010]在這種6DoF測(cè)量中，借助于已知的幾何學(xué)并且利用相機(jī)的內(nèi)部取向的知識(shí)來(lái)計(jì)算空間后方交會(huì)(spatial resect1n)，并且從其確定測(cè)量輔助對(duì)象的取向。然而，如果各個(gè)LED對(duì)于相機(jī)而言至少部分地不可見，則空間后方交會(huì)的結(jié)果變得不太精確(S卩，隨機(jī)測(cè)量不確定性增加)。
[0011 ] 如果一個(gè)或更多個(gè)LED被部分地隱藏，則出現(xiàn)特別不利的情況，使得對(duì)于相應(yīng)LED的光斑，在捕獲的圖像中計(jì)算的圖像坐標(biāo)系統(tǒng)性地劣化。結(jié)果，隨著各個(gè)圖像坐標(biāo)的劣化，后方交會(huì)的結(jié)果以及因此測(cè)量輔助對(duì)象的空間取向的確定系統(tǒng)性地劣化。
[0012]因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于減小或防止上述測(cè)量誤差的改進(jìn)的方法和改進(jìn)的裝置。
[0013]本發(fā)明的特殊目的是提供一種改進(jìn)的激光跟蹤儀，其利用在對(duì)象的圖像中捕獲的光斑的分析來(lái)更可靠地確定對(duì)象的取向，特別是其中，減小并防止了在光斑至少部分地隱藏的情況下出現(xiàn)的測(cè)量誤差。
[0014]這些目的通過(guò)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立權(quán)利要求的特征來(lái)實(shí)現(xiàn)?？蓮膹膶贆?quán)利要求推知以替代或有利方式拓展本發(fā)明的特征。
[0015]本發(fā)明涉及一種用于激光跟蹤儀以及利用激光跟蹤儀確定測(cè)量輔助對(duì)象的空間取向的方法，該測(cè)量輔助對(duì)象具有按照限定的空間關(guān)系附接并提供光斑的基準(zhǔn)特征。激光跟蹤儀具有:基座，其限定豎直軸；支撐件，其可通過(guò)電機(jī)相對(duì)于基座繞豎直軸樞轉(zhuǎn)；樞轉(zhuǎn)單元，其可通過(guò)電機(jī)相對(duì)于支撐件繞傾斜軸旋轉(zhuǎn)，并具有用于捕獲光斑的圖像的圖像捕獲單元；以及輻射源，其用于發(fā)射激光束。另外，提供利用激光束測(cè)量到測(cè)量輔助對(duì)象的距離的距離測(cè)量單元以及確定激光束相對(duì)于基座的發(fā)射方向的角度測(cè)量功能。
[0016]在根據(jù)本發(fā)明的方法的范圍內(nèi)，在測(cè)量輔助對(duì)象的方向上捕獲具有光斑的圖像，所述光斑可各自根據(jù)至少一個(gè)位置和/或測(cè)量輔助對(duì)象的對(duì)準(zhǔn)來(lái)捕獲，并且利用圖像分析從圖像中捕獲的光斑在圖像中的圖像位置來(lái)推導(dǎo)測(cè)量輔助對(duì)象的空間取向。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，針對(duì)圖像分析限定關(guān)于圖像中的各個(gè)光斑的外觀的局部考慮標(biāo)準(zhǔn)，或者針對(duì)圖像分析限定關(guān)于圖像中的多個(gè)光斑之間的位置關(guān)系的全局考慮標(biāo)準(zhǔn)。另外，針對(duì)圖像中捕獲的至少一個(gè)光斑執(zhí)行是否滿足局部或全局考慮標(biāo)準(zhǔn)的檢查(特別是通過(guò)將捕獲的圖像中針對(duì)所述至少一個(gè)捕獲的光斑呈現(xiàn)的圖像信息項(xiàng)與局部或全局考慮標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較)。如果不滿足(局部或全局)考慮標(biāo)準(zhǔn)，則對(duì)于空間取向的推導(dǎo)，圖像中捕獲的所述至少一個(gè)光斑被以縮減形式加權(quán)，特別是被排除。
[0018]S卩，檢查圖像中針對(duì)一個(gè)或更多個(gè)光斑呈現(xiàn)的特性是否對(duì)應(yīng)于一個(gè)或更多個(gè)光斑的設(shè)定點(diǎn)特性，并且基于該檢查，為取向確定推斷光斑的考慮或縮減加權(quán)(尤其是不考慮)。
[0019]基準(zhǔn)特征可被特別是實(shí)現(xiàn)為發(fā)射特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光(特別是發(fā)射紅外光)的發(fā)光二極管(LED)。
[0020]與根據(jù)本發(fā)明的方法的特定實(shí)施方式對(duì)應(yīng)，局部考慮標(biāo)準(zhǔn)限定圖像中的至少一個(gè)光斑的外觀的至少一個(gè)圖像屬性，特別是限定設(shè)定點(diǎn)形狀和/或設(shè)定點(diǎn)空間延伸和/或設(shè)定點(diǎn)亮度分布和/或設(shè)定點(diǎn)總強(qiáng)度和/或設(shè)定點(diǎn)對(duì)比度作為圖像基準(zhǔn)。
[0021]在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明的典型實(shí)施方式，是否滿足局部考慮標(biāo)準(zhǔn)的檢查基于圖像中的(各個(gè))LED描繪(或者基準(zhǔn)特征的描繪)的各個(gè)觀測(cè)來(lái)進(jìn)行。為此，不需要知道測(cè)量輔助對(duì)象上的LED的相對(duì)空間布置方式。
[0022]在這種情況下為了標(biāo)識(shí)被部分覆蓋的LED，使用描繪相對(duì)于基準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)(=考慮標(biāo)準(zhǔn))的偏離。從光學(xué)計(jì)算獲得的理想描繪或者提供的基準(zhǔn)特征的實(shí)驗(yàn)值可用作所述基準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)。
[0023]根據(jù)此實(shí)施方式的方法能夠與圖像中的成像的LED的總數(shù)無(wú)關(guān)地應(yīng)用，因此適用于單個(gè)LED。另外，不需要知道相機(jī)的取向。
[0024]特別是，在這種情況下，可針對(duì)測(cè)量輔助對(duì)象(例如，測(cè)量探測(cè)器)與相機(jī)之間的可能距離，并且還針對(duì)可以想到的測(cè)量輔助對(duì)象相對(duì)于相機(jī)的取向，來(lái)存儲(chǔ)理想描繪，其中，這些理想描繪可表示特別是從真實(shí)觀測(cè)確定的“經(jīng)驗(yàn)值”。
[0025]尤其是，在這種情況下，圖像中的LED的描繪通過(guò)例如像素?cái)?shù)、最大亮度(最亮像素)、總強(qiáng)度(所有灰度值的總計(jì))、形狀和/或輪廓(例如，基于LED的有源區(qū)域的形狀或者無(wú)源目標(biāo)標(biāo)志的輪廓以及光學(xué)計(jì)算)、圖像內(nèi)的亮度分布(單色或光譜)和/或圖像銳度的圖像屬性來(lái)表征。如果一個(gè)或更多個(gè)屬性偏離于基準(zhǔn)值或者標(biāo)準(zhǔn)值，則這可被識(shí)別并且可以是相應(yīng)LED局部隱藏的指示。
[0026]特別是，關(guān)于圖像中的LED的光斑的亮度分布的評(píng)估，可重復(fù)地計(jì)算LED的該描繪的圖像坐標(biāo)，其中，改變各個(gè)參數(shù)，并且使用因此導(dǎo)致的圖像坐標(biāo)的組內(nèi)的偏離作為相對(duì)于預(yù)期亮度分布的偏離的標(biāo)準(zhǔn)。
[0027]用于此目的的參數(shù)變量是(例如)亮度閾值(閾值)、暗幀減影(偏移)、焦點(diǎn)計(jì)算方法(例如，二元、線性或平方焦點(diǎn))、曝光時(shí)間和/或根據(jù)彼此分離的各個(gè)像素顏色的焦點(diǎn)計(jì)算。
[0028]關(guān)于全局或局部考慮標(biāo)準(zhǔn)的限定或建立，可根據(jù)本發(fā)明特別是從捕獲的圖像，特別是從圖像中的光斑的相應(yīng)圖形描繪，特別是從光斑的相應(yīng)圖形描繪的比較，來(lái)推導(dǎo)此考慮標(biāo)準(zhǔn)(除了在激光跟蹤儀的數(shù)據(jù)庫(kù)中提供該標(biāo)準(zhǔn)，另選地或另外地)。
[0029]在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明的檢查基準(zhǔn)特征在圖像捕獲期間是否部分隱藏地設(shè)置的另一實(shí)施方式涉及比較圖像中捕獲的所有基準(zhǔn)特