DE102018108141A1 - Mobile Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen eines Objektraums - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mobile Vorrichtung (1) zum Erfassen eines Objektraums. Die mobile Vorrichtung (1) weist ein Gestell (2) und zumindest einen an dem Gestell (2) montierten Einzelscanner (13) und einen oberhalb von dem Einzelscanner (13) an dem Gestell (2) montierten Mehrfachscanner (16) auf. Dieser umfasst eine Vielzahl von in einem Bauteil integrierten Emissionseinheiten (31), einen Empfänger (35) zum Detektieren von Reflexionsstrahlungen (34) und eine Abtasteinrichtung (36) zum Verändern der Emissionsrichtungen der Signalstrahlen (32) der Emissionseinheiten (31). Des Weiteren weist die mobile Vorrichtung (1) eine Auswerteeinrichtung (28) auf, die ausgebildet ist, zumindest aus den von dem Empfänger (35) detektierten Reflexionsstrahlungen (34) in Echtzeit eine graphische Darstellung derjenigen Bereiche des Objektraums zu erzeugen und auszugeben, durch die die mobile Vorrichtung (1) bewegt werden kann und/oder bewegt wurde. Schließlich weist die mobile Vorrichtung (1) eine Datenschnittstelle (29) auf, die ausgebildet ist, Daten an eine Speichereinrichtung (30) zur Nachverarbeitung auszugeben. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Erfassen eines Objektraums.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine mobile Vorrichtung zum Erfassen eines Objektraums. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Erfassen eines Objektraums mit einer mobilen Vorrichtung.
• Es sind verschiedene Erfassungssysteme zum Erfassen von Objekträumen innerhalb von Gebäuden und im Außenbereich bekannt. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Erfassen eines Objektraums innerhalb eines Gebäudes. Ein solches System ist beispielsweise in der EP 2 913 796 A1 beschrieben. In diesem Fall wird ein Laserscanner in Verbindung mit mehreren Kameras verwendet. Aus den Signalen des Laserscanners und den Bildern der Kameras wird eine Punktwolke erzeugt, aus der ein dreidimensionales Gebäudemodell erstellt wird.
• Für den Außenbereich existieren vergleichbare Erfassungssysteme, die auf Fahrzeugen und Flugzeugen montiert werden können. Die Referenzierung der erfassten Daten auf ein Koordinatensystem geschieht bei diesen Systemen in der Regel durch eine Positionsbestimmung mit Hilfe von Satellitennavigationssystemen.
• Innerhalb von Gebäuden besteht diese Möglichkeit der Positionsbestimmung nicht, da dort keine Signalverbindung zu den Navigationssatelliten verfügbar ist. Außerdem ist die Positionsbestimmung für das Erfassen eines Objektraums mittels Satellitennavigation zu ungenau. Aus diesem Grund wird auch im Außenbereich für die Positionsbestimmung ergänzend auf Radodometrie, Laserodometrie oder Trägheitsnavigation (INS) zurückgegriffen. Die Satellitennavigation spielt dabei für die Georeferenzierung und Reduktion des Langzeitdrifts eine Rolle.
• Für die Positionsbestimmung innerhalb von Gebäuden während der mobilen Erfassung von Objekträumen ist insbesondere eine möglichst schnelle Positionsbestimmung in Echtzeit erforderlich, um dem Bediener des Systems auf einem Bildschirm eine Darstellung des Erfassungsvorganges in der Umgebung in Echtzeit liefern zu können, damit dieser den Erfassungsvorgang so steuern kann, dass der Gebäudeinnenraum möglichst lückenlos und in hoher Qualität abgescannt wird.
• Ferner ist es erforderlich, dass eine möglichst präzise nachgelagerte Positionsbestimmung im Zeitverlauf, das heißt die Bestimmung der Trajektorie beim Erfassen des Objektraums, in der Nachverarbeitung möglich ist. Nur in diesem Fall können die kontinuierlich erfassten Messungen der Laserscanner und die in der Regel im Abstand von jeweils wenigen Metern erfassten Panorama-Bilder zu einem präzisen, konsistenten 3D-Modell des Gebäudes zusammengefügt werden, beispielsweise durch Erstellung einer Punktwolke oder eines Polygonnetzes.
• Auf die verschiedenen Methoden zur Positions- und Trajektorienbestimmung wird weiter unten eingegangen. Im weiteren folgt zunächst eine Darstellung der Datenerfassungsmethoden und Anwendungsszenarien:
• Bei der Erfassung von Punktwolken mit Hilfe von Laserscannern kommen in der Regel Systeme zum Einsatz, bei denen ein Laserstrahl durch einen um eine Achse rotierenden Spiegel in einer Ebene im Raum ausgesandt wird. Alternativ können Festkörperlaser ohne bewegliche Teile eingesetzt werden, um einen rotierenden Laserstrahl zu erzeugen.
• Die hierbei gelieferten Daten enthalten für jeden Datensatz (Punkt der Punktwolke) in der Regel den jeweiligen Zeitstempel des jeweils ausgesandten Laserimpulses mit der zugehörigen Winkelstellung innerhalb der Rotationsachse. Ferner enthält jeder Datensatz einen oder mehrere Werte, die aus einem oder mehreren nacheinander empfangenen Reflexionssignalen abgeleitet werden und die aus der Laserlicht-Laufzeit berechnete Entfernung der jeweils reflektierenden Oberflächen in Richtung des Aussendestrahls sowie die zugehörigen Reflexionsintensitäten angeben. Halbtransparente oder halbspiegelnde Oberflächen können hierbei dazu führen, dass kurz nacheinander mehrere Reflexionssignale empfangen werden, die dann zu unterschiedlich weit entfernten Oberflächen gehören.
• Aus den empfangenen Reflexionssignalen werden Entfernungen berechnet. Hieraus können zusammen mit den Intensitäten der Reflexionssignale dreidimensionale Punktkoordinaten berechnet werden, welche dann die Punktwolke bilden. Um aus den Erfassungsvorgängen mittels des bewegten Laserscanners ein konsistentes dreidimensionales Modell aufbauen zu können, ist es notwendig, für jede Messung einen Zeitstempel sowie die exakte Positionenausrichtung des Laserscanners im Raum zu erfassen.
• Ähnlich verhält es sich mit den Bildinformationen von Panoramakameras, die in der Regel nur aus Bilddateien bestehen, die mit einem Zeitstempel des Aufnahmezeitpunktes versehen sind.
• Auch hier muss zu jedem Zeitstempel und zu jeder Bilddatei die genaue Position und Ausrichtung der jeweiligen Kamera im Raum bekannt sein oder bestimmt werden, damit - unter Zuhilfenahme von bekannten oder durch Kalibrierung zu bestimmenden Kameraparametern wie zum Beispiel Objektivbrennweite und Abbildungscharakteristik, sowie Sensorgröße und - auflösung - die Bilddaten und die Punktwolken-Daten einander zugeordnet werden können. Auf diese Weise kann ein Objektraum dreidimensional erfasst werden.
• Panoramabilder können außerdem dazu verwendet werden, einen sehr realitätsgetreuen virtuellen Rundgang durch den erfassten Objektraum zu ermöglichen. Hier stehen die Bilddateien im Vordergrund, die mittels sogenanntem „Stitching“ unter Zuhilfenahme der 3D-Information (Position und Ausrichtung der jeweiligen Kamera im Raum) zu lückenlosen 360-Grad-Panoramen zusammengefügt werden können, die der genauen Ansicht an einem bestimmten Punkt der Umgebung entsprechen, wie sie ein Betrachter vor Ort wahrnehmen würde. Die Gesamtheit der Panoramabilder repräsentiert hierbei eine Vielzahl einzelner diskreter Positionen, an denen die zugrundeliegenden Bilder aufgenommen wurden. Der Betrachter kann lediglich von einer diskreten Position zu einer anderen diskreten Position springen und von Panoramabild zu Panoramabild wechseln, im Gegensatz zum oben angeführten Punktwolkenmodell, das kontinuierlich „durchflogen“ werden kann. Das als Hintergrundinformation vorhandene Punktwolken-Modell kann hierbei dazu verwendet werden, um die Übergänge zwischen den einzelnen Panoramabildern als Überblendungen von unterschiedlich transformierten individuellen Teilausschnitten (zum Beispiel Tischoberflächen) so zu animieren, dass der Betrachter den Eindruck einer halbwegs flüssigen Bewegung im 3D-Raum zwischen den zwei diskreten Positionen erhält. Durch das Punktwolkenmodell ergeben sich noch weitere Möglichkeiten, wie zum Beispiel eine Einblendung der Punktwolke über die Foto-Panorama-Ansicht oder eine Zuordnung einer genauen 3D-Koordinate zu jedem Pixel des Panoramabildes (was zum Beispiel Längenmessungen von aufgenommen Objekten durch Anklicken der Begrenzungspunkte im Panoramabild sowie die Einblendung von ortsbezogenen Informationen („Points of Interest“) in die Panoramabilder ermöglicht).
• Für kleinere Gebäude ist die Erfassung der Umgebung im Innenraum des Gebäudes durch gleichzeitige Aufnahme von Punktwolkendaten und Panoramabildern auch durch stationäre, stativgebundene Geräte möglich, die von Position zu Position bewegt werden. Die Positionen können hierbei zum Beispiel an festen Bezugspunkten und Marken im Raum ausgerichtet werden, die sich auch in bereits vorab existierenden Plänen wiederfinden, was die Zuordnung erleichtert.
• Für die schnelle Erfassung großer Gebäude, insbesondere des Innenraums des Gebäudes, ist aber die kontinuierliche Erfassung durch ein mobiles System vorteilhaft.
• Hierfür existieren zum einem tragbare Systeme in Rucksackform oder in der Hand gehaltene Systeme in unterschiedlichen Bauformen. Diese tragbaren Systeme haben den Nachteil, dass aufgrund von Gewichtsrestriktionen nur leichtgewichtige Kamerasysteme zum Einsatz kommen können, deren Objektive keine qualitativ hochwertigen Aufnahmen erlauben. Außerdem ist es durch die ruckartigen Bewegungen beim Umhertragen aufgrund von Bewegungsunschärfe, insbesondere durch Rotationsbewegungen und in schwierigen Beleuchtungssituationen, schwierig, verwacklungsfreie scharfe Aufnahmen zu erstellen. Aus diesem Grund liegt der Hauptzweck dieser Geräte meist in der Erfassung einer (kolorierten) Punktwolke, da hierfür die Bildqualität der Kameraufnahmen nicht kritisch ist.
• Bei Anwendungen, deren Ziel die Erfassung hochqualitativer und hochauflösender Panoramabilder ist, insbesondere die Aufnahme von HDR-(„High Dynamic Range“)-Bildern unter schwierigen Beleuchtungsbedingungen, eignen sich wie oben beschrieben für kleinere Gebäude stationäre, stativgebundene Geräte.
• Für größere Gebäude eignen sich jedoch besonders gut fahrbare Geräte in „Trolley“-Bauform, die durch einen Bediener geschoben werden. Ein fahrbares Gestell liefert in diesem Fall eine höhere Stabilität. In Ruheposition können daher verwacklungsfreie Bilder aufgenommen werden. Des Weiteren können größere und schwerere, Kameraobjektive mit höherer Qualität, Laserscanner, Elektronikbauteile und Energiespeicher an dem fahrbaren Gerät befestigt und auf diese Weise sehr komfortabel bewegt werden. Bei allen genannten mobilen Erfassungssystemen besteht - wie oben erläutert - das Problem, dass die Trajektorie, und für Systeme, die eine visuelle Überwachung des Erfassungsvorgangs auf einem Bildschirm ermöglichen sollen, auch die Momentanposition in Echtzeit effizient und präzise bestimmt werden muss.
• Hierfür können unterschiedliche Verfahren zum Einsatz kommen, die auch kombiniert werden können. Zum einen kommen inertiale Messeinheiten (IMU, „Inertial Measurement Unit“) in Frage, die einen oder mehrere Inertialsensoren wie Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren kombinieren. Ein Problem hierbei ist jedoch der Umstand, dass sich Messfehler aufsummieren, was zu einer starken „Drift“ führen kann. Aus diesem Grund werden IMUs oft nur unterstützend eingesetzt. Gleiches gilt für Odometer.
• In der Praxis kommen daher für mobile Systeme in der Regel sogenannte SLAM-Verfahren zum Einsatz („Simultaneous Localization and Mapping“). Diese basieren auf der Annahme, dass die erfasste Umgebung statisch ist und sich nur das Erfassungssystem selbst bewegt. Im Falle eines Laserscanners werden hierbei zum Beispiel die erfassten Daten eines Laserspiegel-Rotationsdurchganges mit denen eines oder mehrerer vorangegangener Durchgänge verglichen. Unter der Annahme, dass die Umgebung statisch ist und sich das Erfassungssystem linear parallel zur Laserscan-Ebene bewegt hat, würden die beiden Punktmengen der beiden Messdurchgänge innerhalb von Messtoleranzen mehr oder weniger deckungsgleich, aber translatorisch und/oder rotatorisch verschoben sein, so dass sich hieraus unmittelbar und gleichzeitig ein Profil der Umgebung als 2D-Schnitt durch den 3D-Raum (entsprechend der Laserscanner-Ebene) und gleichzeitig der Bewegung/Drehung des Erfassungssystems innerhalb dieses 2D-Schnittes ergibt (daher der Begriff „Simultaneous Localization and Mapping“). In der Praxis darf hierbei die Bewegung und insbesondere die Drehung in Relation zur Scanfrequenz jedoch nicht zu schnell erfolgen.
• Die algorithmische Zuordnung von zeitlich auseinanderliegenden Messpunkten zu identischen, mehrfach gescannten Umgebungsmerkmalen und daraus die Bestimmung der Trajektorie des Erfassungssystems und die Erstellung eines Gesamtmodells der Umgebung ist bei ausreichender Menge und Redundanz an Messpunkten zwar auch möglich, wenn sich die Laserscanner-Erfassungsrichtung im Zeitverlauf ändert und beliebig zur Bewegung des Erfassungssystems angeordnet ist, je nach Größe und Verteilung der Punktwolke und Merkmalen im Raum kann dies jedoch sehr lange Rechenzeiten erfordern, so dass diese Verfahren in der Regel bei hohem Detaillierungsgrad nur in der Nachverarbeitung („Post-Processing“) eingesetzt werden können, aber nicht zur Echtzeit-Darstellung der Bewegung im Raum während des Erfassungsvorgangs. So ist es beispielsweise bei den oben erwähnten stationären, stativgebundenen Lösungen üblich, die erfassten Daten der einzelnen Scan-Positionen in ein cloud-basiertes Rechenzentrum hochzuladen und dort in einer Nachverarbeitung zu einem konsistenten Modell zusammenfügen zu lassen.
• Vergleichbar hiermit sind photogrammetrische Verfahren, bei denen aus einer Vielzahl von Bildern, die von ein und demselben Objekt oder derselben Umgebung aus verschiedenen Blickwinkeln aufgenommen wurden, ein texturiertes 3D-Modell erstellt werden kann, indem zum Beispiel das sogenannte Bundle-Adjustment-Verfahren zum Einsatz kommt, bei dem in einem Optimierungsprozess gleichzeitig die Positionen der Punkte im 3D-Raum, die Positionen und Orientierungen der beobachtenden Kameras sowie deren interne Kalibrierparameter an die Messbilder angepasst werden. Diese Verfahren liefern für gut texturierte Oberflächen gute Ergebnisse, scheitern aber bei gleichfarbigen, merkmalsarmen Oberflächen sowie bei komplizierteren Verschneidungen und spiegelnden Objekten.
• Bei sogenannten Virtual-Reality- bzw. Augmented-Reality-Anwendungen, die auch von Mobiltelefonen (Smartphones) ausgeführt werden können, existieren darüber hinaus Lösungen, die ähnlich zum SLAM-Verfahren bzw. photogrammetrischen Verfahren funktionieren. Hierbei werden in Echtzeit erfasste Bildfolgen der Smartphone-Kameras analysiert, um darin Umgebungsmerkmale im Zeitverlauf zu verfolgen, in der Regel unterstützt durch Messdaten der ebenfalls in Smartphones verbauten IMUs, so dass hieraus eine grobe Erfassung der Umgebung sowie der Bewegung des Smartphones im Raum in Echtzeit abgeleitet werden kann, was dann zum Beispiel die passgenaue Einblendung virtueller Objekte in das Kamerasucherbild ermöglicht.
• Für kleinere Räume und kurze Entfernungen eignen sich auch sogenannte „Structured Light“-Lösungen, bei denen vom Erfassungssystem aus (Infrarot-)Punktmuster abgestrahlt werden, deren Verzerrung im Kamerabild Rückschlüsse auf die 3D-Struktur der erfassten Szene liefert.
• Ferner sind sogenannte Time-of-Flight-Kameras bekannt, die ähnlich wie ein parallel arbeitender Laserscanner einen Lichtblitz aussenden und für jedes Pixel des Kamerasensors sehr präzise den individuellen Zeitpunkt bestimmen, an dem das Reflexionssignal erfasst wird, so dass sich über die Lichtlaufzeit hieraus eine Entfernungsinformation für das betreffende Pixel ergibt. Aufgrund der geringen Auflösung und der begrenzten Reichweite und Präzision eignen sich diese Systeme jedoch nicht für die detaillierte Erfassung großer Gebäude.
• Gleiches gilt für Stereo-Tiefenkameras, die ähnlich dem menschlichen Auge aus der Parallaxeninformation zweier Kamerabilder Tiefeninformationen gewinnen. Auch hier ist die Präzision und Auflösung für Vermessungs-Anwendungen ungenügend.
• Für hochpräzise Erfassungssysteme, mit denen größere Gebäude bis auf wenige Millimeter genau gescannt werden sollen (z.B. trolley-basierten Mobile-Mapping-Systemen), eignen sich daher insbesondere Laserscanner.
• Bei diesen Mobile-Mapping-Systemen kann die Echtzeit-Visualisierung des Erfassungsvorgangsvorgangs und der Bewegung im Raum auf einem Bediener-Bildschirm dann besonders einfach, robust und schnell erfolgen, wenn - wie im obigen Beispiel dargestellt - ein 2D-Laserscanner in einer während der Bewegung konstant bleibenden Ebene scannt, das heißt sich das Erfassungssystem auch in einer hierzu parallelen 2D-Ebene bewegt, wie dies in Gebäuden mit ebenen Böden in den Räumen und Gängen der Fall ist. In diesem Fall spricht man auch von 2D-SLAM bzw. Realtime-2D-SLAM mit drei Freiheitsgraden (3 DoF, „Degrees of Freedom“) (das heißt 2 Raumachsen X-Y und eine Drehachse - „Gieren“/„yaw“).
• Da der vorgenannte für das 2D-SLAM-Verfahren ausgerichtete Laserscanner während der Bewegung durch den Raum horizontal ausgerichtet ist und immer dieselbe konstante Ebene scannt und den Raum selbst nicht flächendeckend erfasst, kommen für die Erfassung der eigentlichen Punktwolke daher weitere 2D-Laserscanner zum Einsatz, die in anderen Ebenen angeordnet sind, so dass durch die Fortbewegung des Erfassungssystems diese Scan-Ebenen den Raum gleichmäßig überstreichen, damit die Umgebung möglichst gleichmäßig und vollständig gescannt und erfasst wird.
• Bei der Erfassung großer Gebäude ist es wünschenswert, möglichst große Flächen in einem durchgehenden Scan-Vorgang ohne Unterbrechung zu erfassen, um den Aufwand für die sogenannte Registrierung, das heißt das Zusammenfügen von Teil-Punktwolkenmodellen aus einzelnen Teil-Scanvorgängen zu einem Gesamt-Punktwolkenmodel durch exaktes Ausrichten und Abgleichen der Überlappungsbereiche der Teil-Punktwolken, möglichst gering zu halten. Dieser Registrierungsvorgang ist zwar prinzipiell algorithmisch möglich, kann aber je nach Größe der Teilmodelle rechenintensiv sein und trotzdem manuelle Vor- oder Nachjustierung erfordern.
• Trolley-basierte Mobile-Mapping-Systeme, die mit 2D-SLAM-Verfahren arbeiten, erfordern hierbei bislang in der Regel ein Beenden des aktuellen Scan-Vorgangs und das Starten eines neuen Scan-Vorgangs, sobald zum Beispiel eine größere Stufe, steilere Rampe oder gar Treppe zu überwinden ist, auch wenn einzelne Systeme zum Beispiel durch Auswertung von IMU-Daten in der Lage sind, Rampen mit geringen Steigungen zu verarbeiten oder Störungen durch Holperschwellen, überfahrene Kabel etc. durch Korrektur-Algorithmen auszugleichen.
• Des Weiteren sind Erfassungssysteme mit sechs Freiheitsgraden (6 DoF, Degrees of Freedom) (das heißt drei Raumrichtungen X-Y-Z und drei Drehrichtungen („Rollen-Nicken-Gieren“ / „rollpitch-yaw“ / 6DoF-SLAM-Verfahren) bekannt.
• Beispielsweise beschreibt die Veröffentlichung George Vosselman, „DESIGN OF AN INDOOR MAPPING SYSTEM USING THREE 2D LASER SCANNERS AND 6 DOF SLAM“, ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume II-3, 2014. ISPRS Technical Commission III Symposium, 5.-7. September 2014, Zurich, Switzerland. 10.5194/isprsannals-II-3-173-2014 (https://www.isprs-ann-photogramm-remote-sens-spatial-inf-sci.net/ll-3/173/2014/isprsannals-ll-3-173-2014.pdf) ein Verfahren zum Erfassen eines Objektraums innerhalb eines Gebäudes. Dabei werden mehrere Ein-Ebenen-Scanner eingesetzt, deren Scanebenen nicht parallel zueinander angeordnet sind. Die Verarbeitung der bei diesem System erfassten Daten ist jedoch algorithmisch sehr aufwendig, so dass sich dieses Verfahren nicht zur Echtzeitvisualisierung des Scanvorgangs, sondern nur für eine Berechnung eines Punktwolkenmodells in der Nachverarbeitung eignet. Außerdem ist aus der EP 3 228 985 A1 ein Erfassungssystem in sechs Freiheitsgraden mit 3D-SLAM-Verfahren bekannt.
• Verschiedene Laserscanner sind aus der DE 10 2011 121 115 B4 oder der DE 10 2004 050 682 A1 bekannt. Ferner ist aus der EP 2 388 615 A1 und der US 2017/0269215 A1 ein Mehrfachscanner bekannt, welcher Signalstrahlen fächerförmig emittiert und die Reflexionen dieser Signalstrahlen misst.
• Beim Erfassen eines Objektraums innerhalb eines Gebäudes ergibt sich ferner das Problem, dass nicht nur die Wände und Decken des Objektraums sehr präzise erfasst werden sollen, sondern auch Gegenstände und Einbauten in dem Objektraum. Bei bekannten mobilen Erfassungsvorrichtungen hat sich das Problem ergeben, dass verschiedene Objekte, die sich während der Scanvorgänge in etwa in der Höhe der Erfassungsvorrichtung befinden, nur unzureichend erfasst wurden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mobile Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen eines Objektraums anzugeben, mit denen die Erfassung des Objektraums in Gebäudeumgebungen so verbessert wird, dass auch dann eine unterbrechungsfreie Erfassung möglich ist, wenn die mobile Vorrichtung bei der Bewegung Höhenunterschiede, zum Beispiel auf steilen Rampen oder dergleichen, überwindet, und dass auch solche Objekte präzise erfasst werden können, die sich in ähnlicher Höhe wie die mobile Vorrichtung während des Erfassungsvorgangs befinden.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine mobile Vorrichtung mit dem Merkmal des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit dem Merkmal des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
• Die erfindungsgemäße mobile Vorrichtung zum Erfassen eines Objektraums weist ein Gestell auf. An dem Gestell ist zumindest ein Einzelscanner montiert. Dieser Einzelscanner umfasst eine erste Emissionseinheit zum Erzeugen eines ersten Signalstrahls in einer ersten Emissionsrichtung, einen ersten Empfänger zum Detektieren einer ersten Reflexionsstrahlung, die durch Reflexion des ersten Signalstrahls an zumindest einem Objekt des Objektraums erzeugt wird, und eine erste Abtasteinrichtung zum Verändern der ersten Emissionsrichtung des ersten Signalstrahls. Des Weiteren weist die mobile Vorrichtung einen oberhalb von dem Einzelscanner an dem Gestell montierten Mehrfachscanner auf. Der Mehrfachscanner umfasst eine Vielzahl von zweiten, in einem Bauteil integrierten Emissionseinheiten zum Erzeugen einer Vielzahl von zweiten Signalstrahlen in zweiten Emissionsrichtungen, einen zweiten Empfänger zum Detektieren von zweiten Reflexionsstrahlungen, die durch Reflexionen der zweiten Signalstrahlen an einem oder mehreren Objekten des Objektraums erzeugt werden, und eine zweite Abtasteinrichtung zum Verändern der zweiten Emissionsrichtungen der zweiten Signalstrahlen.
• Die mobile Vorrichtung weist ferner eine Auswerteeinrichtung auf, die zumindest mit dem zweiten Empfänger datentechnisch gekoppelt ist und die ausgebildet ist, zumindest aus den von dem zweiten Empfänger detektierten zweiten Reflexionsstrahlungen in Echtzeit eine graphische Darstellung derjenigen Bereiche des Objektraums zu erzeugen und auszugeben, durch die die mobile Vorrichtung bewegt werden kann und/oder bewegt wurde.
• Schließlich weist die mobile Vorrichtung eine Datenschnittstelle auf, die zumindest mit dem ersten Empfänger datentechnisch gekoppelt ist und die ausgebildet ist, Daten, die zumindest aus der von dem ersten Empfänger detektierten ersten Reflexionsstrahlung erzeugt wurden, an eine Speichereinrichtung zur Nachverarbeitung auszugeben.
• Durch die mobile Vorrichtung der vorliegenden Erfindung können einander gegenläufige Erfordernisse gleichzeitig erfüllt werden: Zum einen kann die mobile Vorrichtung in Echtzeit die Position der Vorrichtung im Objektraum während des Erfassungsvorgangs auch in Gebäudeumgebungen, insbesondere innerhalb eines Gebäudes, erfassen und ausgeben. Hierfür umfasst die Vorrichtung den Mehrfachscanner mit der zugehörigen Auswerteeinrichtung. Zum anderen kann der Objektraum sehr exakt erfasst werden, wobei ein dreidimensionales Modell des erfassten Objektraums erst in einer Nachverarbeitung erzeugt werden kann. Hierfür umfasst die Vorrichtung zumindest einen hochpräzisen Einzelscanner. Der Einzelscanner kann somit so ausgebildet sein, dass die von dem Einzelscanner erzeugten Daten nicht für eine Echtzeitverarbeitung zum Berechnen und Ausgeben der Position der Vorrichtung im Objektraum geeignet sein müssen. Zu diesem Zweck ist nämlich der Mehrfachscanner vorgesehen. Der Einzelscanner kann somit daraufhin optimiert sein, Daten zu erzeugen, mit denen der Objektraum so präzise wie möglich in einer Nachverarbeitung modelliert werden kann. Ferner ist der Einzelscanner so am Gestell der mobilen Vorrichtung angeordnet, dass er auch Gegenstände, die unterhalb der Höhe des Mehrfachscanners im Objektraum angeordnet sind, erfassen kann. Der Einzelscanner ist nämlich unterhalb des Mehrfachscanners angeordnet, so dass die von der Emissionseinheit des Einzelscanners erzeugten Signalstrahlen auf die Unterseite von Objekten treffen können, die auf der Höhe des Mehrfachscanners oder sogar unterhalb des Mehrfachscanners angeordnet sind. Das Erfassen der Unterseite solcher Objekte ist bei bekannten Erfassungsvorrichtungen nur unzureichend möglich gewesen.
• Des Weiteren ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, dass der Objektraum auch dann unterbrechungsfrei erfasst werden kann, wenn sich die vertikale Ausrichtung der Vorrichtung ändert, wenn die Vorrichtung beispielsweise über eine Rampe hoch- oder herunterbewegt wird. Der Einsatz des Mehrfachscanners ermöglicht in diesem Fall das unterbrechungsfreie Erfassen des Objektraums. Durch die Verwendung des Mehrfachscanners kann nämlich ein Echtzeit-3D-SLAM-Verfahren mit sechs Freiheitsgraden eingesetzt werden. Es ist nicht erforderlich, den Erfassungsvorgang in Teilvorgänge zu unterteilen und diese Teilvorgänge in der Nachverarbeitung wieder zusammenzusetzen.
• Aus der Verwendung des Mehrfachscanners in der mobilen Vorrichtung ergibt sich der Vorteil, dass die Vorrichtung in der Bewegung immer nicht nur neue Oberflächenabschnitte des Objektraums erfasst, indem die zweiten Signalstrahlen diese Oberflächenabschnitte überstreichen, sondern dass die Signalstrahlen immer auch auf bereits zuvor erfasste Oberflächenabschnitte treffen, das heißt solche Oberflächenabschnitte, die bereits von zuvor ausgesandten anderen zweiten Signalstrahlen erfasst wurden. Hierdurch wird es möglich, einen Abgleich der von den zweiten Empfängern detektierten zweiten Reflexionsstrahlungen aus bereits zuvor detektierten zweiten Reflexionsstrahlungen durchzuführen. Aus diesem Abgleich kann dann die Bewegung der mobilen Vorrichtung berechnet werden, so dass es möglich ist, die Position der mobilen Vorrichtung im Objektraum zu bestimmen. Hierdurch ist es wiederum möglich, eine graphische Darstellung derjenigen Bereiche des Objektraums zu erzeugen und auszugeben, durch welche die mobile Vorrichtung bewegt wurde. Hieraus wiederum lässt sich anhand einer vorläufigen Modellierung des Objektraums anhand der Daten, die zumindest aus den zweiten Reflexionsstrahlungen gewonnen werden können, bestimmen, durch welche Bereiche im Objektraum die mobile Vorrichtung bewegt werden kann. Auch diese möglichen Bewegungen der mobilen Vorrichtung im Objektraum können mittels der Auswerteeinrichtung graphisch dargestellt und ausgegeben werden.
• Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung definiert das Gestell Aufsetzpunkte, auf welchen das Gestell auf einer Horizontalebene frei stehen kann. Es sind insbesondere drei Aufsetzpunkte definiert, so dass das Gestell in jedem Fall verwacklungsfrei auf einer Horizontalebene steht. Der Einzelscanner ist in diesem Fall an dem Gestell in einem vertikalen Abstand von der von den Aufsetzpunkten definierten Ebene montiert, der kleiner als 60 cm ist. Der Abstand ist insbesondere kleiner als 55 cm. Der Einzelscanner ist somit sehr weit unten an dem Gestell montiert. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass ein schräg nach oben emittierter erster Signalstrahl auf die Unterseite eines Objekts treffen kann, das sich in einem horizontalen Abstand von der mobilen Vorrichtung befindet. Auf diese Weise ist es möglich, insbesondere die Unterseiten von Tischen, Stühlen oder dergleichen zu erfassen.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Präzision des Erfassens von Objekten des Objektraums durch den Mehrfachscanner geringer als die Präzision des Erfassens der Objekte des Objektraums durch den Einzelscanner. Der Einsatz des weniger präzisen Mehrfachscanners ist für die Echtzeitverarbeitung nicht von Nachteil, da zur Reduktion des Rechenaufwandes ein sogenanntes Subsampling auf ein sogenanntes gröberes Voxel-Grid vorgenommen wird. Daher ist für die Echtzeitverarbeitung eine so hohe Präzision, wie sie für die Nachverarbeitung erforderlich ist, nicht nötig. Die höhere Präzision des Einzelscanners ermöglicht hingegen eine genauere Modellierung des Objektraums in der Nachverarbeitung. Zwar können auch die von dem Mehrfachscanner erzeugten Daten bei der Nachverarbeitung verwendet werden, jedoch kann der Einzelscanner auf das möglichst präzise Erfassen der Objekte des Objektraums optimiert werden, ohne die Ausgestaltung des Einzelscanners im Hinblick auf eine Echtzeitverarbeitung der Daten zu beschränken. Gleichermaßen ist es zwar möglich, auch Daten, die von dem Einzelscanner erzeugt worden sind, bei der Echtzeitverarbeitung zum Erzeugen der graphischen Darstellung des Objektraums zu verwenden. Eine Optimierung der Ausgestaltung erfolgt für diese Verarbeitung der Daten jedoch nur für den Mehrfachscanner.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die zweiten Emissionsrichtungen fächerförmig, so dass ein Emissionsfächer mit einer Mittelachse gebildet ist. Der Mehrfachscanner ist insbesondere so an dem Gestell montiert, dass die von dem Emissionsfächer gebildete Ebene vertikal ausgerichtet ist. Der Öffnungswinkel des Emissionsfächers kann dabei in einem Bereich von 25° bis 35° liegen. Bevorzugt ist der Öffnungswinkel 30°.
• Bei den zweiten Emissionseinheiten des Mehrfachscanners handelt es sich insbesondere um einen oder mehrere Laser. Die zweiten Signalstrahlen können dabei durch mehrere Laser simultan, fächerförmig in die zweiten Emissionsrichtungen emittiert werden. Bevorzugt werden jedoch nacheinander Laserpulse (Signalpulse) in die zweiten Emissionsrichtungen emittiert, so dass sich nur bei einer Betrachtung eines bestimmten Zeitintervalls die fächerförmige Emission der zweiten Signalstrahlen in den zweiten Emissionsrichtungen ergibt. Die Laserpulse in den zweiten Emissionsrichtungen können dabei von einem Laser emittiert werden, dessen Emissionsrichtung verändert wird. Bevorzugt werden jedoch mehrere Laser verwendet, die nacheinander Pulse in verschiedene Emissionsrichtungen emittieren. Die Abstände der Pulse können dabei so gewählt werden, dass die Reflexion des Laserpulses erfasst wird, bevor der nächste Laserpuls ausgesendet wird. Somit hängt der Zeitabstand zwischen den Laserpulsen von der Reichweite ab, die von den Signalstrahlen zur Erfassung des Objektraums erreicht werden soll.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die zweite Abtasteinrichtung ausgebildet, die zweiten Emissionsrichtungen der zweiten Signalstrahlen um eine zweite Rotationsachse zu drehen. Der Mehrfachscanner tastet somit das Volumen des Rotationskörpers eines Fächers ab. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Mehrfachscanner dabei so an dem Gestell montiert, dass die zweite Rotationsachse um einen ersten Winkel gegenüber der Vertikalen geneigt ist. Der erste Winkel liegt insbesondere in einem Bereich von 5° bis 12°, vorteilhafterweise in einem Bereich von 6° bis 9° und bevorzugt ist dieser Winkel 7°. Hierdurch wird erreicht, dass in der Richtung, in welcher die Rotationsachse gekippt ist, nähere Oberflächenabschnitte des Bodens, auf welchem sich die mobile Vorrichtung bewegt, erfasst werden können. In der entgegengesetzten Richtung wird die fächerförmige Emission hingegen nach oben gekippt, so dass weniger Bereiche unterhalb des Mehrfachscanners bestrahlt werden. In dieser Richtung ergibt sich vorteilhafterweise eine geringere Überdeckung mit einer Person, welche die mobile Vorrichtung bewegt.
• Die zweite Rotationsachse ist somit insbesondere hinsichtlich einer Bewegungsrichtung der mobilen Vorrichtung nach vorne gekippt. Das Kippen der zweiten Rotationsachse ist ferner vorteilhaft für das Echtzeit-3D-SLAM-Verfahren. Es werden in diesem Fall nämlich nicht nur exakt horizontal zur Bewegungsrichtung verlaufende Schnitte durch den Objektraum zur Echtzeitvisualisierung geliefert, sondern quer zur Bewegungsrichtung verlaufende Schnitte.
• Hierdurch werden einerseits die für das SLAM-Verfahren notwendigen Informationen noch erfasst, das heißt wiederkehrende Merkmale der Umgebung, die in aufeinanderfolgenden Rotationsdurchgängen des Laserscanners erkannt werden können. So könnte z.B. ein Umgebungsmerkmal, das in einem Rotationsdurchgang in einer ersten Scanebene des Mehrebenen-Scanners erfasst wurde, im darauffolgenden Rotationsdurchgang im Erfassungs-Datensatz der nächsten oder übernächsten Ebene des Scanners wieder auftauchen.
• Andererseits werden so auch schnell große Raumbereiche zum Zweck der 3D-Visualisierung für den Bediener erfasst, darunter vor allem nahegelegene Merkmale des Bodens vor der Erfassungsvorrichtung und weiter entfernte Merkmale der Decke hinter der Erfassungsvorrichtung. Da für die 3D-Visualisierung nicht die Präzision im Vordergrund steht, sind auch der flache Auftreffwinkel auf den Boden bzw. die Decke und die damit verbundene Fehlerstreuung - bei ohnehin eingeschränkter Präzision des Mehrebenen-Scanners - kein Nachteil. Ermöglicht wird jedoch die Visualisierung der erfassten Umgebung in 3D und zwar in einer Darstellung, die mehr Details liefert als eine Mehrfach-Scheiben-Linien-SchnittDarstellung, welche bevorzugt im Bereich autonomen Fahrens zur Anwendung kommt, bei dem es um schnelle Erfassung großer Raumbereiche in Echtzeit, insbesondere mit hoher Reichweite nach vorne in Fahrtrichtung geht.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die erste Abtastrichtung ausgebildet, die erste Emissionsrichtung des ersten Signalstrahls um eine erste Rotationsachse zu drehen, die senkrecht auf der ersten Emissionsrichtung steht, so dass eine erste Ebene abgetastet wird. Die erste Emissionseinheit des Einzelscanners ist insbesondere auch ein Laser. Auch in diesem Fall kann der Signalstrahl Laserpulse umfassen, deren Reflektion von dem ersten Empfänger erfasst wird. Durch die Rotation des Signalstrahls wird somit eine Ebene abgetastet. Der Einzelscanner ist in diesem Fall ein Ein-Ebenen-Scanner.
• Die erste Ebene schließt mit der Vertikalen insbesondere einen zweiten Winkel ein, der in einem Bereich von 10° bis 20° liegt. Der zweite Winkel liegt insbesondere in einem Bereich von 13° bis 17°. Bevorzugt ist er 15°. Bei dieser Ausrichtung der ersten Ebene können horizontal ausgerichtete Oberflächen optimal erfasst werden. Gleichzeitig werden jedoch auch vertikal ausgerichtete Oberflächen zumindest mit einem flachen Auftreffwinkel gescannt, sodass ein Übergang von einer horizontal zu einer vertikal ausgerichteten Oberfläche, d. h. eine Kante, erfasst werden kann.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist diese zumindest einen zweiten Einzelscanner auf. Dieser zweite Einzelscanner umfasst eine dritte Emissionseinheit zum Erzeugen eines dritten Signalstrahls in einer dritten Emissionsrichtung, einen dritten Empfänger zum Detektieren einer dritten Reflexionsstrahlung, die durch Reflexion des dritten Signalstrahls an einem Objekt des Objektraums erzeugt wird, und eine dritte Abtasteinrichtung zum Verändern der dritten Emissionsrichtung des dritten Signalstrahls. Die dritte Abtasteinrichtung ist dabei ausgebildet, die dritte Emissionsrichtung des dritten Signalstrahls um eine dritte Rotationsachse zu drehen, die senkrecht auf der dritten Emissionsrichtung steht, so dass eine zweite Ebene abgetastet wird. Die zweite Ebene schließt mit der Vertikalen insbesondere einen dritten Winkel ein, der in einem Bereich von 10° bis 20°, insbesondere in einem Bereich von 16° bis 19°, liegt. Bevorzugt ist der dritte Winkel 18°.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der mobilen Vorrichtung weist diese zumindest einen dritten Einzelscanner auf. Dieser dritte Einzelscanner umfasst eine vierte Emissionseinheit zum Erzeugen eines vierten Signalstrahls in einer vierten Emissionsrichtung, einen vierten Empfänger zum Detektieren einer vierten Reflexionsstrahlung, die durch Reflexion des vierten Signalstrahls an einem Objekt des Objektraums erzeugt wird, und eine vierte Abtasteinrichtung zum Verändern der vierten Emissionsrichtung des vierten Signalstrahls. Dabei ist die vierte Abtasteinrichtung ausgebildet, die vierte Emissionsrichtung des vierten Signalstrahls um eine vierte Rotationsachse zu drehen, die senkrecht auf der vierten Emissionsrichtung steht, so dass eine dritte Ebene abgetastet wird. Die dritte Ebene schließt mit der Vertikalen insbesondere einen dritten Winkel ein, der in einem Bereich von 10° bis 20°, insbesondere in einem Bereich von 16° bis 19° liegt. Bevorzugt ist der dritte Winkel 18°.
• Die erste, zweite und dritte Ebene des ersten, zweiten und dritten Einzelscanners sind somit im Wesentlichen vertikal ausgerichtet, wobei sie einen spitzen Winkel mit der Vertikalen einschließen. Diese Ausrichtung der Ebenen hat zusätzlich zu den vorstehend bereits genannten Vorteilen den weiteren Vorteil, dass sich eine geringe Abschattung durch häufig auftretende vertikale Oberflächen ergibt. Beispielsweise wirft ein Gegenstand, der auf einem Tisch steht, beim Auftreffen von Signalstrahlen aufgrund seiner vertikalen Erstreckung nur einen sehr kurzen Schatten in horizontaler Richtung. Zudem ergibt sich an horizontal ausgerichteten Oberflächen eine geringere Streuung der Messwerte.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der mobilen Vorrichtung sind der zweite und dritte Einzelscanner bezüglich einer Mittelebene der mobilen Vorrichtung symmetrisch angeordnet und ausgerichtet. Bei einigen Einzelscannern wird die Ebene in einem Winkelbereich abgetastet, der kleiner als 360° ist. In diesem Fall ergibt sich ein toter Winkel, in dem die Ebene nicht abgetastet wird. Wenn die mobile Vorrichtung der vorliegenden Erfindung als zweiten und dritten Einzelscanner derartige Einzelscanner mit einem toten Winkel verwendet, d. h. wenn die zweite und die dritte Ebene in einem Winkelbereich abgetastet werden, der kleiner als 360° ist, so dass sich bei der zweiten Ebene ein zweiter toter Winkel und bei der dritten Ebene ein dritter toter Winkel ergibt, sind die toten Winkel dieser Ebenen bevorzugt wie folgt ausgerichtet: Bei einer Ansicht entgegen einer Normalen der zweiten Ebene schließt ein erster Schenkel des zweiten toten Winkels einen dritten Winkel mit der Vertikalen ein, der in einem Bereich von 5° bis 10° liegt und der außerhalb des zweiten toten Winkels ist. Der tote Winkel kann beispielsweise 90° betragen. Aufgrund der symmetrischen Anordnung des dritten Einzelscanners zu dem zweiten Einzelscanner ist dann der tote Winkel des dritten Einzelscanners entsprechend symmetrisch ausgerichtet. Dies bedeutet, dass sich die beiden Schenkel der toten Winkel des zweiten und dritten Einzelscanners bei der Mittelebene oberhalb der mobilen Vorrichtung schneiden. Die vorstehend definierte Auswahl des dritten Winkels in einem Bereich von 5° bis 10° hat den Vorteil, dass eine bevorzugte Erfassung des Objektraums oberhalb der mobilen Vorrichtung gewährleistet ist. Auf diese Weise können bei der mobilen Vorrichtung kostengünstige Einzelscanner, die jeweils einen toten Winkel aufweisen, verwendet werden, das Erfassen des Objektraums insbesondere oberhalb der mobilen Vorrichtung ist hiervon jedoch nicht beeinträchtigt. In Kombination mit dem ersten Einzelscanner kann der Objektraum auf diese Weise vollständig erfasst werden.
• Für die bestmögliche Erfassung der Präzisions-Punktwolke, die ja erst nach der Nachverarbeitung vorliegen muss und nicht zeitkritisch ist, kommen erfindungsgemäß insbesondere mehrere, bevorzugt drei, präzise Ein-Ebenen-Scanner als Einzelscanner zum Einsatz.
• Die erfindungsgemäße mobile Vorrichtung stellt ein trolley-basiertes Mobile-Mapping-System bereit. Im praktischen Einsatz dieses Systems kommt es darauf an, die räumliche Struktur der Objekte, die sich in den gescannten Gebäuden üblicherweise befinden, bestmöglich durch eine Punktwolkenerfassung abzubilden. Hierbei kommt der Ausrichtung der zur Punktwolkenerfassung benutzten Einzelscanner (in der Regel Ein-Ebenen-Laserscanner) eine entscheidende Rolle zu.
• Von besonderer Bedeutung für BIM-(Building Information Modeling)-Anwendungen ist es beispielweise, die Deckenstruktur und dort angebrachte Objekte (zum Beispiel Lüftungsrohre, Verkofferungen, Rauchmelder etc.) in den Punktwolkendaten mit hohem Detaillierungsgrad zu erfassen. Gleiches gilt für die exakte Erfassung von Wandstrukturen wie zum Beispiel Tür- und Fensterlaibungen. In Büro- und Werkstatt-Umgebungen ist es auch wichtig, Tische und Werkbänke gut zu erfassen.
• Für eine gute Abbildung von Kanten und Teilflächen ist es vorteilhaft, wenn die Laserscanner-Strahlen dort in nicht allzu flachem Winkel auftreffen, damit der Streuungsbereich der Messwerte beziehungsweise Messfehler nicht durch Streckung vergrößert wird. Daher sind bei bekannten Mapping Systemen die Punktwolken-Erfassungs-Laserscanner in der Regel in Winkeln schräg zur Bewegungsrichtung, zum Beispiel 45° ausgerichtet, denn wenn diese rechtwinklig oder fast rechtwinklig zur Bewegungsrichtung scannen würden, träfen deren Laserstrahlen in sehr flachen Winkeln auf Tür- und Fensterlaibungen auf, da diese in Gebäudegängen in der Regel rechtwinklig zur Geh- und Bewegungsrichtung des Erfassungssystems verlaufen. Um bei entsprechend schräg zur Bewegungsrichtung des Erfassungssystems angeordneten Laserscannern die Erfassung auch solcher Strukturen und Kanten im Gebäude zu optimieren, die ebenfalls schräg zur Bewegungsrichtung verlaufen, aber in der Regel lotrecht angeordnet sind, empfiehlt es sich, die Laserscanner noch zusätzlich schräg nach vorne oder hinten relativ zur Bewegungsrichtung auszurichten. Eine solche Anordnung ist besonders gut für vertikale Flächen, die orthogonal zur Erfassungsrichtung stehen. Eine schräge Anordnung der Einzelscanner verringert zusätzlich eine etwaige Verdeckung durch einen Bediener oder andere Einrichtungen der Vorrichtung.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der mobilen Vorrichtung umfasst das Gestell ein Basiselement und einen Gestellkopf. Die Höhe des Gestellkopfs ist in diesem Fall durch einen Verstellmechanismus veränderbar. Der Verstellmechanismus kann insbesondere einen Sensor umfassen, welcher ausgebildet ist, den vertikalen Abstand des Gestellkopfs vom Basiselement zu erfassen. An dem Basiselement des Gestells können mehrere Räder montiert sein, mittels welchen die mobile Vorrichtung über einen Untergrund gerollt werden kann, so dass das Gestell fahrbar ausgebildet ist. Das Gestell und/oder die Räder können dabei insbesondere eine Vorwärtsbewegungsrichtung zum Erfassen des Objektraums definieren.
• Im praktischen Einsatz ist es auch oft erforderlich, ein trolley-basiertes Mobile-Mapping-System durch Engstellen (zum Beispiel Türen oder Tore) zu manövrieren, die in der Höhe oder in der Breite ein ungehindertes Durchfahren verhindern. Bei den bekannten Trolley-Systemen ist es daher oft nötig, das System um die Nick/Pitch- oder Roll/Roll-Achse zu kippen, um die Engstelle passieren zu können. Bei besonders engen Stellen ist gegebenenfalls auch eine Demontage von Teilen des Trolley-Systems nötig. In diesen Fällen ist bislang in der Regel ein Beenden des aktuellen Scan-Vorgangs erforderlich, unter anderem weil der SLAM-Vorgang durch den Verlust der Bezugspunkte in der konstant gescannten Linienebene abbricht. Nach dem Passieren der Engstelle ist dann das Starten eines neuen Scanvorganges nötig. In der Nachverarbeitung müssen dann die Teilpunktwolken mit entsprechendem Aufwand zu einer Gesamtpunktwolke zusammengefügt und dazu genau ausgerichtet werden.
• Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zwar durch das oben beschriebene 3D-6DoF-SLAM-Verfahren ein temporäres Kippen um eine der beschriebenen Achsen unschädlich. Allerdings besteht bei dem Kippen weiterhin ein Risiko, dass sich bei der Nachverarbeitung Probleme ergeben. Für den praktischen Einsatz ist es daher wünschenswert, solche Engstellen passieren zu können, ohne dass der Trolley gekippt werden muss und ohne dass der Scan-Vorgang unterbrochen und neu gestartet werden muss. Durch den Verstellmechanismus ist das Gestell dynamisch, das heißt im laufenden Scan-Vorgang, höhenverstellbar. Beispielsweise kann durch eine Säulenführung oder Schienenführung zwischen dem Basiselement und dem Gestellkopf die Verstellbarkeit in der Höhe realisiert sein. Hierbei ergibt sich jedoch das Problem, dass die am Gestellkopf befestigten Einzelscanner ihre relative Lage zu dem am Basiselement montierten unteren Einzelscanner verändern. Die beiden oberen Einzelscanner müssen daher dynamisch relativ zu dem unteren Einzelscanner kalibriert werden. Erfindungsgemäß kann diese Kalibrierung dadurch erfolgen, dass der Sensor des Verstellmechanismus den vertikalen Abstand des Gestellkopfs vom Basiselement erfasst, woraus sich der Abstand der oberen Einzelscanner zu dem unteren Einzelscanner ergibt. Die Daten dieses Sensors werden erfasst und an die Schnittstelle zur gemeinsamen Speicherung mit den Daten der Einzelscanner sowie gegebenenfalls des Mehrfachscanners übertragen. Die von dem Sensor gelieferten Messdaten können dann bei der Berechnung der Präzisions-Punktwolke aus den von den Einzelscannern gewonnenen Daten und gegebenenfalls den Daten des Mehrfachscanners berücksichtigt werden.
• Gemäß einer Ausgestaltung der mobilen Vorrichtung ist die zweite Rotationsachse des Mehrfachscanners in Vorwärtsbewegungsrichtung nach vorne gekippt ausgerichtet. Des Weiteren kann auch die erste Ebene in Vorwärtsbewegungsrichtung nach vorne gekippt ausgerichtet sein, so dass die erste Emissionsrichtung des ersten Signalstrahls des ersten Einzelscanners zumindest zeitweise in Vorwärtsbewegungsrichtung nach schräg oben ausgerichtet ist. Die zweite und/oder dritte Ebene kann hingegen bezüglich der Vorwärtsbewegungsrichtung nach hinten ausgerichtet sein, so dass die dritte und/oder vierte Emissionsrichtung des dritten und/oder vierten Signalstrahls des zweiten und/oder dritten Einzelscanners zumindest zeitweise in Vorwärtsbewegungsrichtung nach schräg unten ausgerichtet ist beziehungsweise sind. Außerdem kann die zweite und auch die dritte Ebene bezüglich einer Vertikalebene in Vorwärtsbewegungsrichtung zur Seite geschwenkt ausgerichtet sein.
• Die Ausrichtungen der Einzelscanner sind auch für die Erfassung von horizontalen Oberflächenstrukturen von Bedeutung. Beispielsweise sollten die Signalstrahlen, das heißt insbesondere die Laserstrahlen der Einzelscanner, auf die Ober- und Unterseite von Tischen und Werkbänken in einem günstigen, das heißt nicht zu flachen, Auftreffwinkel auftreffen. Erfindungsgemäß wird daher ein bekanntes trolley-basiertes Mobile-Mapping-System mit einem zweiten und dritten Ein-Ebenen-Laserscannern zur Erfassung der Punktwolkendaten, die sowohl im Nick/Pitch-Winkel als auch im Gier/Yaw-Winkel gegenüber der Bewegungsrichtung des Mapping Systems gekippt sind, dadurch verbessert, dass diese Ein-Ebenen-Laserscanner möglichst weit oben am System angebracht sind, und ergänzend ein erster Ein-Ebenen-Laserscanner, d. h zur Punktwolkenerfassung eingesetzt wird, der möglichst weit unten am System angebracht ist und nach schräg vorne oben abstrahlt.
• Durch die schräg nach oben gerichtete Scan-Ebene dieses unteren Ein-Ebenen-Laserscanners wird auch eine gute Erfassung derjenigen Seiten von lotrecht von der Decke herabhängenden Strukturen ermöglicht, die parallel oder in sehr flachem Winkel zu den Scan-Ebenen der vorgenannten oberen Ein-Ebenen-Laserscanner verlaufen.
• Durch den möglichst großen Höhenabstand zwischen den beiden oberen Einzelscannern einerseits und dem unteren Einzelscanner andererseits wird die Erfassung von in mittlerer Höhe angeordneten Strukturen wie zum Beispiel Tischen und Werkbänken etc. in einem günstigen, das heißt steilen Winkel ermöglicht, und zwar sowohl von der Ober- als auch der Unterseite. Diese Höhenabstand der Einzelscanner hat zusätzlich den Vorteil, dass sich eine geringe Abschattung durch sich vertikal erstreckende Gegenstände ergibt, die z. B. auf Tischen oder Werkbänken stehen oder von diesen Objekten herabhängen. Diese Gegenstände werfen somit beim Auftreffen von Signalstrahlen nur kurze Schatten.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der Gestellkopf einen Querträger. Dieser Querträger hat in einer Horizontalebene eine feste geometrische Anordnung relativ zu dem Basiselement. Auf diese Weise wird der Mehrfachscanner und/oder der zweite und dritte Einzelscanner in einer festen geometrischen Anordnung mechanisch an dem Gestellkopf befestigt. Hierdurch wird erreicht, dass die Anordnung der am Gestellkopf befestigten Scanner kalibrierungsfest ist. Nach einer Höhenverstellung des Gestellkopfs ist keine neue Kalibrierung hinsichtlich der Anordnung des Mehrfachscanners und des zweiten und dritten Einzelscanners erforderlich. Im praktischen Einsatz eines trolley-basierten Mobile-Mapping-Systems kommt es auch darauf an, die Komponenten des Systems einerseits so modular zu gestalten, dass diese in möglichst kleine Teilsysteme mit kompakten Packmaßen demontiert werden können, andererseits aber die Verbindungen dieser Teilsysteme so präzise zu konstruieren, dass nicht nach jedem Zusammenbau eine neue Kalibrierung nötig ist. Das Problem der Neukalibrierung nach jeder Ummontage ist zum Beispiel in der EP 2 199 828 B1 beschrieben, in der ein algorithmisches Verfahren zur Kompensation einer solchen Fehljustierung vorgeschlagen wird. Unabhängig von solchen Korrekturmöglichkeiten ist es jedoch wünschenswert, eine möglichst präzise mechanische Verbindung zwischen den demontierbaren Teilmodulen eines trolley-basierten Mobile-Mapping-Systems zu erzielen, wobei die Anzahl und Komplexität der nötigen Montageschritte möglichst gering sein sollte und auch keine speziellen Werkzeuge oder verlierbaren Kleinteile wie Schrauben, Muttern oder Beilagscheiben etc. zum Einsatz kommen sollten. Ein weiteres Erfordernis ist hierbei, dass elektrische Steckverbindungen zum Beispiel zur Energieversorgung und kabelgebundenen Datenübertragung möglichst einfach und sicher arretiert werden können.
• Über den Querträger und gegebenenfalls weiterer starr mit dem Querträger verbundener Elemente sind alle Einrichtungen, die an dem Gestellkopf montiert sind, in einer festen geometrischen Anordnung zueinander. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, wenn Kunststoffführungen in dem Querträger einer Trägerplatte zusammen mit Auflage-Pins im Kopf zunächst ein einfaches Aufsetzen des Kopfes auf die Trägerplatte ermöglichen und durch die Anordnungen und Form der Kunststoffführungen nach dem Aufsetzen eine ausreichend genaue Vorpositionierung für die mechanische und elektrische Kopplung erreicht wird. Die Vorpositionierung umfasst hierbei vorteilhafterweise eine ausreichend präzise Flucht für eine mechanische Kopplung zwischen zusätzlich vorgesehen Positionier-Pins im Kopf und dazu korrespondierenden Positionier-Buchsen im Querträger in einem nachfolgenden Kopplungsvorgang. Hierbei werden zugleich Platinen für die elektrische Kopplung in ausreichendem Maße vorpositioniert, damit eine sichere Verbindung zwischen Federkontaktstiften auf der Platine im Kopf und den Kontaktflächen auf der Platine im Querträger ermöglicht wird. Das Betätigen eines weiterhin vorgesehen Griffhebels kann dann gleichzeitig für eine sichere mechanische und elektrische Kopplung zwischen dem Kopf und dem Querträger sorgen. Im gekoppelten Zustand sind die Positionier-Pins des Kopfes und der Positionier-Buchsen im Querträger fest in den Freiheitsgraden in Richtung der Höhe und der Querrichtung wiederholgenau zueinander ausgerichtet. Die durch die Betätigung eines Griffhebels erzielte Spannhebelgeometrie sorgt für eine feste Position der Positionier-Pins in axialer Richtung (Vorwärtsbewegungsrichtung) sowie eine Vorspannung der Federkontaktstifte für die elektrische Verbindung. Durch diese hohe Positionsgenauigkeit bleibt die Kalibrierung erhalten.
• Die vorgenannte Ausgestaltung einer sicheren mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen dem abnehmbaren Gestellkopf und dem Basiselement wäre insbesondere auch für abgewandelte Bauformen von Mobile-Mapping-Systemen geeignet, bei denen das Basiselement, welches unter anderem ein CPU-Motherboard, Speichermedien und (wiederaufladbare) Batterien umfassen kann, zum Beispiel in Form eines Rucksack-Tragegestells ausgebildet ist, so dass in Verbindung mit dem vorgenannten 3D-6DoF-SLAM-Verfahren trotz des relativ hohen Gewichtes des Gestellkopfes dennoch ein Erfassen unwegsamer Gebäude oder anderer Umgebungen wie zum Beispiel Höhlen ermöglicht würde, welche bislang nur mit den oben beschriebenen tragbaren Systemen gescannt werden können, bei denen in der Regel einfache Panoramakameras mit geringerer Bildqualität zum Einsatz kommen, die vorranging lediglich der Erzeugung von „Colored Point Clouds“ dienen.
• Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zumindest ein Rad an dem Gestell mittels einer Schnellspanneinrichtung montiert, mittels welcher das Rad arretierbar ist. Zumindest zwei der Räder sind insbesondere mittels Schnellspanneinrichtungen montiert und in Querrichtung zur Vorwärtsbewegungsrichtung beabstandet voneinander angeordnet. Vorteilhafterweise ist der Abstand dieser zwei Räder in Querrichtung veränderbar. Beispielsweise können die zwei Räder an dem Basiselement in Querrichtung zur Vorwärtsbewegungsrichtung an einer äußeren Position und einer inneren Position montierbar sein. Der Abstand der beiden Räder in Querrichtung ist dann größer, wenn die beiden Räder beide in der äußeren Position montiert sind. Dieser Abstand ist hingegen kleiner, wenn beide Räder in der inneren Position montiert sind. Durch die Veränderung des Abstands der Räder in Querrichtung wird erreicht, dass ein Durchfahren von Engstellen ermöglicht wird, ohne dass der Scanvorgang beeinträchtigt wird.
• Durch die Schnellspanneinrichtungen ist das Ummontieren der Räder von einer äußeren in eine innere Position und umgekehrt sehr schnell und ohne Unterbrechung eines laufenden Scanvorgangs möglich.
• Des Weiteren kann an dem Gestell eine Ständervorrichtung montiert sein, mittels welcher das Gestell so anhebbar ist, dass zumindest ein Rad den Untergrund nicht mehr berührt, und so absenkbar ist, dass das Gestell auf den Rädern frei verfahrbar ist. Vorteilhafterweise ist die Ständervorrichtung dabei so mit zumindest der Schnellspanneinrichtung eines Rades gekoppelt, dass beim Betätigen der Ständervorrichtung zum Absenken des Gestells automatisch die Schnellspanneinrichtung geschlossen wird und hierdurch das zugehörige Rad arretiert wird. Beispielsweise kann beim Betätigen der Ständervorrichtung zum Absenken des Gestells zwangsläufig die Schnellspanneinrichtung zugeklappt werden, so dass das ummontierte Rad arretiert wird. Besonders vorteilhaft ist hierbei die Verwendung einer Steck- und Klemmachse, wie sie zum Beispiel von Rollstühlen bekannt ist.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, zumindest aus Daten, die durch detektierte Reflexionsstrahlungen erzeugt werden, die von den zweiten Empfängern erfasst worden sind, in Echtzeit die Position der Vorrichtung innerhalb des Objektraums und/oder die Trajektorie der mobilen Vorrichtung zu berechnen und mittels einer graphischen Darstellung auszugeben. Dabei kann eine graphische Darstellung des von der mobilen Vorrichtung abgetasteten Bereichs des Objektraums erzeugt und ausgegeben werden. Auf diese Weise kann ein Bediener anhand der graphischen Darstellung erkennen, welche Bereiche des Objektraums noch erfasst werden müssen.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist diese zumindest eine an dem Gestell montierte Kamera auf, die ausgebildet ist, Kamerabilder zumindest eines Teils des Objektraums aufzunehmen. Vorteilhafterweise sind mehrere Kameras an dem Gestellkopf montiert. Die Auswerteeinrichtung kann die von der Kamera oder den Kameras aufgenommenen Bilder beim Erzeugen der verschiedenen graphischen Darstellungen in Echtzeit berücksichtigen. Auf diese Weise kann eine sehr realitätsnahe Darstellung des befahrbaren Bereichs des Objektraums oder des von der mobilen Vorrichtung bereits abgetasteten Bereichs des Objektraums in Echtzeit erzeugt werden.
• Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner eine mit der Auswerteeinrichtung gekoppelte Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen der von der Auswerteeinrichtung erzeugten graphischen Darstellungen auf. Auf diese Weise kann der befahrbare Bereich des Objektraums, der bereits abgetastete Bereich des Objektraums oder der noch nicht abgetastete Bereich des Objektraums in einer Gesamtdarstellung des Objektraums auf Basis der bereits erfassten Daten erzeugt werden.
• Des Weiteren umfasst die mobile Vorrichtung vorteilhafterweise einen Zeitgeber, der mit der Auswerteeinrichtung gekoppelt ist. Die Auswerteeinrichtung kann auf diese Weise für jeden detektierten Messwert der zweiten Empfänger den Zeitpunkt der Detektion gemeinsam mit der zweiten Emissionsrichtung des zugehörigen Signalstrahls sowie der detektierten Amplitude bzw. Intensität erfassen. Ein entsprechender Zeitgeber kann auch für die Einzelscanner vorgesehen sein, um auch die detektierten Reflexionsstrahlungen dieser Einzelscanner mit einem entsprechenden Zeitstempel zu versehen.
• Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Erfassen eines Objektraums mittels einer mobilen Vorrichtung. Die mobile Vorrichtung weist ein Gestell zum Bewegen der Vorrichtung in dem Objektraum auf. Bei dem Verfahren emittiert zumindest ein an dem Gestell montierter Einzelscanner einen ersten Signalstrahl in einer ersten Emissionsrichtung, ein erster Empfänger detektiert eine erste Reflexionsstrahlung, die durch Reflexion des ersten Signalstrahls an zumindest einem Objekt des Objektraums erzeugt wird, und die erste Emissionsrichtung des ersten Signalstrahls wird mittels einer ersten Abtasteinrichtung zum Erfassen des Objektraums verändert. Ferner emittiert ein oberhalb von dem Einzelscanner an dem Gestell montierter Mehrfachscanner eine Vielzahl von zweiten Signalstrahlen in zweiten Emissionsrichtungen. Ein zweiter Empfänger detektiert zweite Reflexionsstrahlungen, die durch Reflexion der zweiten Signalstrahlen an einem oder mehreren Objekten des Objektraums erzeugt werden. Ferner werden die zweiten Emissionsrichtungen der zweiten Signalstrahlen mittels einer zweiten Abtasteinrichtung zum Erfassen des Objektraums verändert. Des Weiteren wird zumindest aus den von dem zweiten Empfänger detektierten zweiten Reflexionsstrahlungen in Echtzeit eine graphische Darstellung derjenigen Bereiche des Objektraums erzeugt und ausgegeben, durch die die mobile Vorrichtung bewegt werden kann und/oder bewegt wurde. Daten, die zumindest aus der von dem ersten Empfänger detektierten ersten Reflexionsstrahlung erzeugt werden, werden an eine Speichereinrichtung zur Nachverarbeitung ausgegeben.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere ausgebildet, mittels der erfindungsgemäßen mobilen Vorrichtung einen Objektraum zu erfassen. Das Verfahren weist somit dieselben Vorteile wie die mobile Vorrichtung der Erfindung auf.
• Insbesondere wird zum Abtasten des Objektraums die erste Emissionsrichtung des ersten Signalstrahls um eine erste Rotationsachse gedreht, die senkrecht auf der ersten Emissionsrichtung steht, so dass eine Ebene aufeinanderfolgend abgetastet wird. Außerdem werden auch die zweiten Emissionsrichtungen der zweiten Signalstrahlen um eine Achse gedreht. Die zweiten Signalstrahlen werden dabei insbesondere fächerförmig abgestrahlt.
• Dabei muss die Emission der zweiten Emissionsrichtungen nicht simultan erfolgen; sie kann vielmehr auch nacheinander emittiert werden, so dass innerhalb eines Zeitintervalls Signalstrahlen, welche Signalpulse umfassen können, fächerförmig in eine Ebene abgestrahlt werden. Dieser Emissionsfächer kann dann um eine zweite Rotationsachse gedreht werden.
• Beim Erfassen des Objektraums wird die mobile Vorrichtung im Objektraum bewegt. Währenddessen wird der Objektraum mittels des Einzelscanners oder der mehreren Einzelscanner und des Mehrfachscanners abgetastet.
• Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug zu den Zeichnungen erläutert.
• 1 zeigt eine perspektivische Ansicht der mobilen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 2 zeigt eine Exposionsdarstellung des Ausführungsbeispiels der mobilen Vorrichtung,
• 3 zeigt den datentechnischen Aufbau des Ausführungsbeispiels der mobilen Vorrichtung,
• 4 veranschaulicht die Ausrichtung des zweiten Einzelscanners,
• 5 veranschaulicht weiter die Ausrichtung des zweiten Einzelscanners,
• 6 veranschaulicht noch weiter die Ausrichtung des zweiten Einzelscanners,
• 7 veranschaulicht noch weiter die Ausrichtung des zweiten Einzelscanners,
• 8 veranschaulicht den Emissionsbereich des ersten Einzelscanners,
• 9 veranschaulicht die Emissionsrichtungen der Scanner des Ausführungsbeispiels der mobilen Vorrichtung,
• 10 zeigt den Gestellkopf in einem von dem Basiselement getrennten Zustand,
• 11 zeigt einen Zwischenzustand beim Aufsetzen des Gestellkopfs auf das Basiselement,
• 12 zeigt den Gestellkopf in einem auf das Basiselement aufgesetzten Zustand,
• 13 zeigt die Griffe in einem ersten Zustand,
• 14 zeigt die Griffe in einem zweiten Zustand,
• 15 zeigt die Ständervorrichtung und die Schnellspanneinrichtung in einem geöffneten Zustand mit demontiertem Rad,
• 16 zeigt die Ständervorrichtung und die Schnellspanneinrichtung mit einem aufgesteckten Rad,
• 17 zeigt die Ständervorrichtung in einem Zwischenzustand während des Absenkens der mobilen Vorrichtung und
• 18 zeigt die Ständervorrichtung in einem vollständig abgesenkten Zustand der Vorrichtung mit geschlossener Schnellspanneinrichtung.
• Zunächst wird der grundsätzliche Aufbau der mobilen Vorrichtung 1 mit Bezug zu den 1 und 2 erläutert:
• Die mobile Vorrichtung 1 umfasst ein Gestell 2. Das Gestell umfasst ein unteres Basiselement 3 sowie einen Gestellkopf 4. In das Basiselement 3 ist ein Verstellmechanismus 5 integriert, mit welchem Verstellsäulen 6 in einer Säulenführung 7 herauf- und herunterbewegt werden können. Den vertikalen Verstellweg der Verstellsäulen 6 in der Säulenführung 7 erfasst ein Sensor 8. Die Verstellsäulen 6 sind an ihren oberen Enden mit einer Aufnahmeplatte 37 verbunden, über welche der Gestellkopf 4 an dem Basiselement 3 befestigt werden kann. Die Aufnahmeplatte 37 ermöglicht nicht nur eine mechanische, sondern auch eine datentechnische Verbindung zwischen dem Gestellkopf 4 und dem Basiselement 3.
• Unten an dem Basiselement 3 sind zwei Außenräder 9 lösbar montiert sowie zwei Mittelräder 10. Die Außen- und Mittelräder 9, 10 definieren Aufsetzpunkte, auf welchen das Gestell 2 auf einer Horizontalebene frei stehen kann. Auf diese Weise wird eine Vertikalrichtung ausgezeichnet. Es ist die Richtung, die senkrecht auf der Ebene steht, welche von den Aufsetzpunkten der Räder 9 und 10 der mobilen Vorrichtung 1 definiert ist. Auf diese Vertikalrichtung beziehen sich in dieser Schrift die Angaben „unten“ und „oben“.
• Außerdem definieren die Räder 9 und 10 eine Vorwärtsbewegungsrichtung A, in welcher die mobile Vorrichtung 1 auf einer Ebene gerollt wird. Bezüglich einer vertikalen Ebene, die in der Vorwärtsbewegungsrichtung A ausgerichtet ist, sind die Außenräder 9 symmetrisch angeordnet. Diese vertikale Ebene definiert eine Mittelebene der mobilen Vorrichtung 1 in Vorwärtsbewegungsrichtung A.
• Im unteren Teil des Basiselements 3 sind Energiespeicher 11 angeordnet. Ferner können weitere Einrichtungen der mobilen Vorrichtung 1 innerhalb des Basiselements 3 angeordnet sein, wenn sie nicht in der Höhe verstellt werden müssen. Werden diese weiteren Einrichtungen im unteren Teil des Basiselements 3 angeordnet, verleiht dies der mobilen Vorrichtung 1 eine erhöhte Stabilität, da der Schwerpunkt nach unten verlagert wird.
• Die mobile Vorrichtung 1 kann von einem Bediener mittels Griffen 12 über einen Untergrund gerollt werden. Aufgrund der Anordnung der Räder 9 und 10 ist zwar eine Vorwärtsbewegungsrichtung A ausgezeichnet. Die mobile Vorrichtung 1 kann jedoch auch um eine vertikale Achse gedreht werden, um Kurven auf einem Untergrund zu fahren.
• Im unteren Bereich des Basiselements 3 ist ein erster Einzelscanner 13, nämlich ein Ein-Ebenen-Laserscanner, angeordnet. Die Funktion und Ausrichtung dieses ersten Einzelscanners wird später im Detail erläutert.
• Am Gestellkopf 4 ist ein zweiter und ein dritter Einzelscanner 14, 15 angeordnet, welche jeweils auch als Ein-Ebenen-Laserscanner ausgebildet sein können. Der zweite und dritte Einzelscanner 14, 15 sind hinsichtlich der vertikalen Mittelebene der mobilen Vorrichtung 1 symmetrisch zueinander angeordnet.
• Bei den Einzelscannern 13, 14 und 15 handelt es sich um Laserscanner zur optischen Abstandsmessung (LIDAR, Light Detection and Ranging). Es wird ein Ein-Ebenen-Laserscanner der Firma Hokuyo verwendet.
• Ferner ist am Gestellkopf 4 ein Mehrfachscanner 16 angeordnet. Als Mehrfachscanner 16 wird ein Mehrebenen-Laserscanner der Firma Velodyne, Typ VLP-16, verwendet. Die Funktion und Ausrichtung des Mehrfachscanners 16 wird später im Detail erläutert.
• In der Mitte des Gestellkopfs 4 ist eine erste Kamera 17 untergebracht, die in Vorwärtsbewegungsrichtung A ausgerichtet ist. Oben und an den Seiten des Gestellkopfs 4 sind weitere Kameras 18 angeordnet.
• Im Bereich der Griffe 12 ist an dem Basiselement 3 ferner ein Bildschirm 19 so befestigt, dass ein Bediener, welcher die mobile Vorrichtung 1 in Vorwärtsbewegungsrichtung A schiebt, die Anzeige auf dem Bildschirm 19 wahrnehmen kann.
• Mit Bezug zu 3 wird der datentechnische Aufbau der mobilen Vorrichtung 1 sowie Details zu der Emission des Einzelscanners 13 und des Mehrfachscanners 16 erläutert:
• Der erste Einzelscanner 13, der unten am Basiselement 3 befestigt ist, umfasst eine erste Emissionseinheit 20. Es handelt sich dabei um einen Laser, der als ersten Signalstrahl 21 Laserpulse in eine erste Emissionsrichtung emittiert. Der erste Signalstrahl 21 kann zum Beispiel auf ein Objekt 22 des zu erfassenden Objektraums treffen. Die Pulse des ersten Signalstrahls 21 werden an dem Objekt 22 reflektiert, so dass sich eine erste Reflexionsstrahlung 23 ergibt. In die erste Emissionseinheit 20 ist ein erster Empfänger 24 integriert, welcher den zurückgestreuten beziehungsweise reflektierten Anteil der ersten Reflexionsstrahlung 23 erfasst. Aus der Laufzeit eines Signalpulses kann die Entfernung der Oberfläche des Objekts 22 bestimmt werden, an der der Signalpuls gestreut beziehungsweise reflektiert wurde. Außerdem kann die empfangene Intensität der detektierten Reflexionsstrahlung gemessen und im Verhältnis zu der emittierten Intensität gesetzt werden.
• Der erste Einzelscanner 13 weist des Weiteren eine erste Abtasteinrichtung 25 auf. Mittels der ersten Abtasteinrichtung 25 kann die erste Emissionsrichtung des ersten Signalstrahls 21 verändert werden. Die erste Abtasteinrichtung 25 kann den Laser der ersten Emissionseinheit zusammen mit dem ersten Empfänger 24 um eine erste Rotationsachse drehen, welche senkrecht auf der ersten Emissionsrichtung steht. Alternativ können Laser und/oder Empfänger 24 nicht selbst gedreht werden, sonder stattdessen nur die Signalstrahlen 21 bzw. die Reflexionsstrahlung 23 mittels drehbarer Spiegel umgelenkt werden. Auf diese Weise überstreicht der erste Signalstrahl 21 innerhalb eines Zeitintervalls eine erste Ebene, welche senkrecht auf der ersten Rotationsachse steht.
• Der Mehrfachscanner 16 umfasst mehrere Emissionseinheiten 31. Diese Emissionseinheiten 31 setzen sich aus einer Vielzahl von Lasern zusammen, welche in einem Bauteil integriert sind, und die auf diese Weise eine feste Ausrichtung zueinander haben. Die Laser der zweiten Emissionseinheiten 31 erzeugen eine Vielzahl von zweiten Signalstrahlen 32 in zweiten Emissionsrichtungen. Die zweiten Signalstrahlen 32 sind so ausgerichtet, dass sie einen Emissionsfächer 42 aufspannen, der eine Ebene definiert. Details zu Geometrie und Ausrichtung dieses Emissionsfächers 42 werden später erläutert. Die zweiten Signalstrahlen 32 können z. B. auf ein Objekt 33 treffen. Wie bei dem Objekt 22 werden die zweiten Signalstrahlen 32 an einer Oberfläche des Objekts 33 gestreut bzw. reflektiert werden. Auf diese Weise werden zweite Reflektionsstrahlungen 34 erzeugt. Der rückgestreute bzw. rückreflektierte Anteil dieser zweiten Reflektionsstrahlungen 34 wird von einem zweiten Empfänger 35 detektiert, der in die zweiten Emissionseinheiten 31 integriert ist.
• Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfassen die zweiten Emissionseinheiten 31 16 Laser, die aufeinanderfolgend Signalpulse emittieren. Beispielsweise emittieren die einzelnen Laser der zweiten Emissionseinheiten 31 aufeinanderfolgend Signalpulse. Der zeitliche Abstand zwischen diesen Signalpulsen ergibt sich aus der Laufzeit eines Signalpulses zu einem Objekt 33, welches bei der maximalen Reichweite des Mehrfachscanners 16 angeordnet ist, dort reflektiert wird und wieder zurück zum zweiten Empfänger 35 gelangt. Wenn der zweite Empfänger 35 diesen Signalpuls detektiert hat, wird der Signalpuls des nächsten Lasers emittiert. Beispielsweise kann zwischen den Signalpulsen ein Zeitintervall von 2,3 µs liegen. In dieser Zeit kann das Licht 690 m zurücklegen, so dass auch bei einer maximalen Reichweite von 100 m ein ausreichender Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden Signalpulsen liegt. Ein Signalpuls ist dabei beispielsweise 6 ns lang.
• Ferner umfasst der Mehrfachscanner 16 eine zweite Abtasteinrichtung 36. Diese zweite Abtasteinrichtung verändert die zweiten Emissionsrichtungen der zweiten Signalstrahlen 32. Dabei werden die zweiten Emissionsrichtungen der zweiten Signalstrahlen 32 um eine zweite Rotationsachse gedreht. Diese zweite Rotationsachse liegt in der von dem Emissionsfächer 42 der zweiten Signalstrahlen 32 gebildeten Ebene. Ferner steht die zweite Rotationsachse senkrecht auf einer Mittelachse des Emissionsfächers 42 der zweiten Signalstrahlen 32. Diese Mittelachse kann dabei insbesondere eine Symmetrieachse des Emissionsfächers 42 der zweiten Signalstrahlen 32 sein. Von dem Mehrfachscanner 16 wird auf diese Weise der Rotationskörper eines Fächers erfasst.
• Die erste Abtasteinrichtung 25 und die zweite Abtasteinrichtung 36 sind mit einer Steuereinheit 26 gekoppelt. Die Steuereinheit 26 ist wiederum mit einem Zeitgeber 27 verbunden. Die Steuereinheit 26 steuert zum einen die Emission der ersten Emissionseinheit 20, sowie der zweiten Emissionseinheiten 31. Ferner steuert die Steuereinheit 26 die erste Abtasteinrichtung 25 und die zweite Abtasteinrichtung 36. Von der Steuereinheit 26 werden somit Zeitpunkt und Ausrichtung der Signalstrahlen 21 und 32 gesteuert. Ferner überträgt die Steuereinheit 26 Daten an eine Auswerteeinrichtung 28. Insbesondere wird der Zeitpunkt, die Ausrichtung und die Intensität jedes emittierten Signalpulses an die Auswerteeinrichtung 28 übertragen. Außerdem erfasst die Auswerteeinrichtung 28 durch eine Kopplung mit dem Sensor 8, wie zu den jeweiligen Zeitstempeln die Höhe, d. h. die vertikale Relativlage des Gestellkopfes 4 zum Basiselement 3, war. Des Weiteren sind der erste Einzelscanner 13 und der Mehrfachscanner 16 mit der Auswerteeinrichtung 28 verbunden. Die von dem ersten 24 und zweiten Empfänger 35 detektierten Reflektionsstrahlungen werden als Signale an die Auswerteeinrichtung 28 übertragen. Diese setzt diese Signale in Bezug zu den von der Steuereinheit 26 übertragenen Daten zu den emittierten Signalpulsen. Auf diese Weise kann von der Auswerteeinrichtung 28 die Richtung und der Abstand eines Objekts 22, 33 im Objektraum berechnet werden. Außerdem können ggf. weitere Merkmale der Oberflächen der Objekte 22 und 33 berechnet werden.
• Von der Auswerteeinrichtung 28 wird in Echtzeit eine dreidimensionale Punktwolke erzeugt, welche den erfassten Objektraum wiedergibt. Hierfür werden bei der Echtzeitberechnung zumindest die von dem zweiten Empfänger 35 detektierten Reflexionsstrahlungen 34 verwendet. Sofern dies bei der Echtzeitberechnung möglich ist, können des Weiteren die von dem ersten Empfänger 24 detektierten Reflexionsstrahlen 23 berücksichtigt werden. Des Weiteren können auch die Kameras 17 und 18 mit der Auswerteeinrichtung 28 sowie der Steuereinheit 26 gekoppelt sein. Die Steuereinheit 26 kann das Auslösen der Kameras 17 und 18 steuern. Die Daten zu den von den Kameras 17 und 18 aufgenommenen Bildern werden an die Auswerteeinrichtung 28 übertragen, welche diese Daten ggf. auch bei der Echtzeitverarbeitung und dem Erzeugen der dreidimensionalen Punktwolke verwenden kann. Auf diese Weise berechnet die Auswerteeinrichtung 28 in Echtzeit eine grafische Darstellung derjenigen Bereiche des Objektraums, durch die die mobile Vorrichtung 1 bewegt werden kann und/oder bewegt wurde. Diese grafische Darstellung wird von dem Bildschirm 19 ausgegeben. Sie wird fortwährend beim Erfassen des Objektraums aktualisiert.
• Der erste Empfänger 24 ist über die Auswerteeinrichtung 28 mit einer Datenschnittstelle 29 gekoppelt. Alle weiteren Einrichtungen der mobilen Vorrichtung 1, durch welche Daten erfasst werden können, sind auch mit dieser Datenschnittstelle gekoppelt. Hierzu zählen der zweite Empfänger 35, die Steuereinheit 26 und der Sensor 8. Die an die Datenschnittstelle 29 übertragenen Daten werden auf einer Speichereinrichtung 30 gespeichert. Alternativ können die Daten auch über eine Drahlosverbindung an einen externen Datenspeicher übertragen werden. Die von der Speichereinrichtung 30 bzw. dem externen Datenspeicher gespeicherten Daten werden dann für eine Nachverarbeitung verwendet. Bei dieser Nachverarbeitung wird eine präzisere Punktwolke des erfassten Objektraums erzeugt. Der Rechenaufwand bei der Nachverarbeitung ist dabei so groß, dass er nicht in Echtzeit von der Auswerteeinrichtung 28 durchgeführt werden kann.
• Bei dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der mobilen Vorrichtung 1 umfasst diese zusätzlich den zweiten 14 und dritten Einzelscanner 15, die oberhalb des ersten Einzelscanners 13 am Gestellkopf 4 montiert sind. Der zweite 14 und der dritte Einzelscanner 15 können dabei vom selben Typ sein, wie der erste Einzelscanner 13. Sie unterscheiden sich von dem ersten Einzelscanner 13 nur hinsichtlich ihrer Anordnung in der mobilen Vorrichtung 1 und ihrer Ausrichtung. Die Einzelscanner 14 und 15 können auf gleiche Weise von der Steuereinheit 26 gesteuert werden. Die von ihnen detektierten Reflektionsstrahlungen können auf gleiche Weise an die Auswerteeinrichtung 28, und weiter an die Datenschnittstelle 29, übertragen werden.
• Mit Bezug zu 4 wird die Position des zweiten Einzelscanners 14, d. h. des bezüglich der Vorwärtsbewegungsrichtung A rechten, oberen Einzelscanners, erläutert. Dabei zeigt 4 eine Ansicht der mobilen Vorrichtung 1 von vorne, und zwar senkrecht zur Mittelebene B der mobilen Vorrichtung 1. Der seitliche Abstand 38 des zweiten Einzelscanners 14 von der Mittelebene B beträgt 142 mm. Die Höhe des zweiten Einzelscanners 14 in Bezug auf eine Horizontalebene C, auf der die Räder 9, 10 der mobilen Vorrichtung 1 stehen, liegt in einem Bereich zwischen etwa 1300 mm und etwa 1900 mm. Die Höhe des zweiten Einzelscanners 14 kann dabei mittels des Verstellmechanismus 5 verstellt werden.
• Die Anordnung und Ausrichtung des dritten Einzelscanners 15, d. h. des linken, oberen Einzelscanners, ist bezüglich der Mittelebene B spiegelsymmetrisch zu der Anordnung und Ausrichtung des zweiten Einzelscanners 14.
• In 5 ist eine Draufsicht auf die mobile Vorrichtung 1 gezeigt. Ferner ist die von den zweiten Signalstrahlen 32 des zweiten Einzelscanners 14 definierte zweite Ebene 39 gezeigt. Sie schließt mit der Mittelebene B einen Winkel α von 35° ein.
• In 6 ist eine Ansicht aus der Richtung X der 5 gezeigt. Aus dieser Ansicht der 6 ergibt sich der Anstellwinkel β des zweiten Einzelscanners 14 zur Senkrechten. Dieser Anstellwinkel β beträgt 18°.
• In 7 ist eine Ansicht aus der Richtung Y der 6 gezeigt, d. h. eine Ansicht entgegen einer Normalen der zweiten Ebene 39. Aus dieser Ansicht ergibt sich die Ausrichtung eines sogenannten zweiten toten Winkels ε2 des von dem zweiten Einzelscanner 14 erfassten Bereichs der zweiten Ebene 39. Die im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendeten Einzelscanner 13 bis 15 erfassen nämlich nicht den vollen Winkelbereich von 360° einer Ebene, sondern nur einen Winkelbereich von 270°. Es ergibt sich somit in der gescannten zweiten Ebene 39 ein zweiter toter Winkel ε2 von 90°. Bei der in 7 gezeigten Ansicht ist erkennbar, dass der Winkel γ, der zwischen einem Schenkel 61 des zweiten toten Winkels ε2 und der Vertikalen gebildet ist, 7,5° ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann dieser Winkel γ in einem Bereich von 5° bis 10° liegen. Der Winkel γ liegt dabei außerhalb des zweiten toten Winkels ε2.
• Aufgrund der symmetrischen Anordnung des dritten Einzelscanners 15 zu dem zweiten Einzelscanner 14 ist der dritte tote Winkel des dritten Einzelscanners 15 entsprechend symmetrisch ausgerichtet. Dies bedeutet, dass sich die beiden Schenkel der toten Winkel des zweiten und dritten Einzelscanners 14, 15 bei der Mittelebene B oberhalb der mobilen Vorrichtung 1 schneiden. Dieser Schnittpunkt ist in 4 gezeigt. Er liegt beispielsweise bei der Höhe von 2308 mm.
• In 8 ist die Ausrichtung des ersten toten Winkels ε1 bei einer Ansicht aus der Richtung Z (siehe 9) parallel zur ersten Rotationsachse des ersten Einzelscanners 13 für diesen ersten Einzelscanner 13 gezeigt. Der erste tote Winkel ε1 ist hier symmetrisch zur Mittelebene B ausgerichtet. Er erstreckt sich bezüglich der Vorwärtsbewegungsrichtung A nach hinten, so dass der Bereich der ersten Ebene 40 des ersten Einzelscanners 13 in Vorwärtsbewegungsrichtung A vollständig erfasst wird.
• Mit Bezug zur 9 werden weitere Details zur Ausrichtung der verschiedenen Einrichtungen der mobilen Vorrichtung erläutert. 9 zeigt eine Seitenansicht der mobilen Vorrichtung 1. Der vertikale Abstand 41 des ersten Einzelscanners 13 von der Horizontalebene C, d. h. die Höhe des ersten Einzelscanners 13, beträgt im hier gezeigten Ausführungsbeispiel 513 mm. Die von den ersten Signalstrahlen 21 des ersten Einzelscanners 13 definierte erste Ebene 40 ist bezüglich der Vorwärtsbewegungsrichtung A nach vorne gegenüber der Vertikalen um den Winkel θ gekippt. Der Winkel θ liegt in einem Bereich von 10° bis 20°. Er ist insbesondere 15°. Die nach vorne gerichtete erste Kamera 17 ist optional vorgesehen. Es kann sich um eine Stereokamera handeln, die einen Öffnungswinkel δ von 110° aufweist, wobei auch dieser Öffnungswinkel δ gegenüber der Horizontalen leicht nach unten gekippt ist.
• Des Weiteren ist die Ausrichtung und die Geometrie der zweiten Signalstrahlen 32 des Mehrfachscanners 16 in 9 gezeigt: Die zweiten Signalstrahlen 32 erzeugen, wie oben erläutert, einen Emissionsfächer 42. Dieser Emissionsfächer 42 ist symmetrisch bezüglich einer Mittelachse 43. Die Mittelachse 43 steht senkrecht auf der zweiten Rotationsachse 44 des Mehrfachscanners 16. Die Mittelachse 43 ist gegenüber einer Horizontalebene D, welche durch den Mehrfachscanner 16, genauer durch den Ausgangspunkt des Emissionsfächers 42, verläuft, um den Winkel κ nach unten geneigt. Damit ist auch die zweite Rotationsachse 44 um denselben Winkel κ gegenüber einer Vertikalebene nach vorne in Richtung der Vorwärtsbewegungsrichtung A geneigt.
• Der Öffnungswinkel λ des Emissionsfächers 42 beträgt etwa 30°, so dass von dem Emissionsfächer 42 in Vorwärtsbewegungsrichtung A ein kleinerer Bereich oberhalb der Horizontalebene D und ein größerer Bereich unterhalb der Horizontalebene D erfasst wird. Entgegen der Vorwärtsbewegungsrichtung A ist die Situation umgekehrt. Unterhalb der Horizontalebene D wird ein kleinerer Bereich erfasst, oberhalb der Horizontalebene D hingegen ein größerer Bereich.
• Mit Bezug zu den 10 bis 12 wird die Kopplung des Gestellkopfs 4 an die Aufnahmeplatte 37 des Basiselements 3 erläutert. Der Gestellkopf 4 weist einen Querträger 45 auf, an dem der Mehrfachscanner 16, der zweite 14 und dritte Einzelscanner 15, sowie die Kameras 17 und 18 so befestigt sind, dass sie eine feste geometrische Anordnung zueinander besitzen. Auch bei einer Veränderung der vertikalen Lage des Gestellkopfs 4 bleibt diese geometrische Anordnung erhalten, so dass die mobile Vorrichtung 1 nach einer Höhenverstellung des Gestellkopfs 4 nicht mehr kalibriert werden muss.
• Der Gestellkopf 4 weist Auflagepins 46 auf. Korrespondierend zu diesen Auflagepins 46 umfasst die Aufnahmeplatte 37 Führungen 47, insbesondere Kunststoffführungen. Beim Aufsetzen des Gestellkopfs 4 auf die Aufnahmeplatte 37 werden die Auflagepins 46 in die Führungen 47 eingeführt. Auf diese Weise wird erreicht, dass nach dem Aufsetzen des Gestellkopfs 4 eine ausreichend genaue Vorpositionierung des Gestellkopfs 4 relativ zu der Aufnahmeplatte 37 für die mechanische und elektrische Kopplung erreicht wird. Für die elektrische Kopplung des Gestellkopfs 4 mit der Aufnahmeplatte 37 ist auf der Aufnahmeplatte 37 und der Unterseite des Querträgers 45 des Gestellkopfs 4 eine Steckverbindung 48 vorgesehen. Die Vorpositonierung umfasst eine ausreichend präzise Flucht für die mechanische Kopplung zwischen zumindest einem Positionierpin im Gestellkopf 4 und zugeordneten Positionierbuchsen in der Aufnahmeplatte 37 für den nachfolgenden Kopplungsvorgang. Zusätzlich werden Platinen für die elektrische Kopplung in ausreichendem Maße vorpositioniert, damit eine sichere Verbindung zwischen Federkontaktstiften auf der Platine in Gestellkopf 4 und den zugeordneten Kontaktflächen auf der Platine der Aufnahmeplatte 37 ermöglicht wird.
• In 11 ist der Zustand gezeigt, bei dem der Gestellkopf für die mechanische und elektrische Kopplung vorpositioniert ist. Der Gestellkopf 4 ist in diesem Fall auf die Aufnahmeplatte 37 aufgesetzt.
• Für die weitere Fixierung des Gestellkopfs 4 auf der Aufnahmeplatte 37 ist ein Griffhebel 49 bei der Aufnahmeplatte 37 vorgesehen. Der Griffhebel 49 ist um eine Querachse schwenkbar. Ausgehend von der in 11 gezeigten Anordnung wird der Griffhebel 49 für die mechanische und elektrische Kopplung des Gestellkopfs 4 an dem Basiselement 3 nach oben geschwenkt und rastet in der in 12 gezeigten Position ein. In diesem Zustand besteht eine sichere mechanische und elektrische Kopplung zwischen dem Gestellkopf 4 und der Aufnahmeplatte 37. Im gekoppelten Zustand sind die Positionierpins des Gestellkopfs 4 und die zugeordneten Positionierbuchsen in der Aufnahmeplatte 37 fest in den Freiheitsgraden Y und Z wiederholgenau zueinander ausgerichtet. Beim Schwenken des Griffhebels 49 von dem in 11 gezeigten Zustand in den in 12 gezeigten Zustand wird eine Spannhebelgeometrie betätigt, die dafür sorgt, dass die Positionierpins des Gestellkopfs 4 auch in axialer Richtung X fest positioniert sind. Gleichzeitig sorgt die Spannhebelgeometrie dafür, dass eine Vorspannung von Federkontaktstiften für die elektrische Verbindung bei der Steckverbindung 48 sicher hergestellt wird. In diesem Zustand hat der Gestellkopf 4 und die direkt oder indirekt an dem Querträger 45 befestigten Einrichtungen des Gestellkopfes 4 eine feste geometrische Anordnung zueinander. Wenn nun mittels des Verstellmechanismus 5 der vertikale Abstand des Gestellkopfs 4 von dem Basiselement 3 verändert wird, ist eine erneute Kalibrierung nicht erforderlich.
• Mit Bezug zu den 13 und 14 wird die Anordnung der Griffe 12 an dem Basiselement 3 im Detail erläutert.
• 13 zeigt einen ersten Zustand der Griffe 12, bei dem sie eingeschwenkt sind. In diesem Zustand ist die Breite des Mittelteils des Basiselements 3 geringer. Die Griffe 12 können in diesen Zustand gebracht werden, um eine Engstelle auf mittlerer Höhe zu passieren. Außerdem ist dieser Zustand vorteilhaft, wenn die mobile Vorrichtung 1 auseinandergebaut und transportiert werden soll. Gleichzeitig können die beispielsweise entsprechend gepolsterten Griffe 12 in dieser eingeklappten Position die Oberfläche des Bildschirms 19 vor Beschädigungen schützen.
• Damit die Griffe 12 in den eingeschwenkten Zustand gebracht werden können, sind sie über eine Schwenkachse 50 mit dem Basiselement 3 verbunden. Bei der Schwenkachse 50 ist ein Arretierelement 51 schwenkbar angeordnet. Die Schwenkachse 50 befindet sich dabei auf der einen Seite des Arretierelements 51. Auf der anderen Seite des Arretierelements 51 ist ein Griffelement 52 starr mit dem Arretierelement 51 verbunden. Das Griffelement 52 erstreckt sich zunächst senkrecht von dem Ende des Arretierelements 51 weg, verläuft dann in einer Biegung, um sich danach wieder über einen bestimmten Abschnitt gerade zu erstrecken. Die Biegung des Griffelements 52 in Verbindung mit der Ausrichtung der Schwenkachse 50 ist so ausgebildet, dass im eingeschwenkten Zustand, wie er in 13 gezeigt ist, das Griffelement 52 zum Basiselement 3 hin geschwenkt werden kann, ohne dass das Basiselement 3 oder Einrichtungen, die an dem Basiselement 3 befestigt sind, das Einschwenken des Griffs 12 behindern.
• Um die Griffe 12 in die in 14 gezeigte Betriebsposition zu bringen, wird das Arretierelement 51 gemeinsam mit dem Griffelement 52 um die Schwenkachse 50 in Richtung einer Anschlagfläche des Basiselements 3 geschwenkt. Dabei bewegen sich die Griffelemente 52 nach außen bis zu dem in 14 gezeigten Zustand. In diesem Zustand liegt das Arretierelement 51 an der Anschlagfläche des Basiselements 3 an. Das Basiselement 3 und das Arretierelement 51 weisen einen Verriegelungsmechanismus 53 auf, über den das Arretierelement 51 sicher und fest mit dem Basiselement 3 verbunden werden kann. Im arretierten Zustand kann der Griff 12 nicht in die in 13 gezeigte Betriebsposition geschwenkt werden. In dem in 14 gezeigten Zustand kann ein Bediener somit die mobile Vorrichtung 1 mittels der Griffe 12 bewegen, insbesondere über die Rollen 9 und 10 auf einem Untergrund rollen.
• Mit Bezug zu den 15 bis 18 in Verbindung mit den 1 und 2 wird die Montage der Außenräder 9 an dem Basiselement 3 in Verbindung mit einer Ständervorrichtung 54 erläutert:
• Die Außenräder 9 sind jeweils über eine Steckachse 56 jeweils an einem Längsträger 57 des Basiselements 3 befestigt. Die Längsträger 57 weisen jeweils Öffnungen 58 auf, in welche die Steckachsen 56 eingeführt werden können. Mittels Schnellspanneinrichtungen 55 können die Steckachsen 56 jeweils in den Öffnungen 58 eingeklemmt werden, so dass die Außenräder 9 fest an den Längsträgern 57 gehalten werden. Es ist dabei möglich, die Außenräder 9 mit der jeweiligen Steckachse 56 von außen oder von innen in die jeweilige Öffnung 58 einzustecken. Auf diese Weise kann der Abstand der Außenräder 9 in Querrichtung verändert werden. Wenn die Außenräder 9 innen an den Längsträgern 57 befestigt sind, ist dabei die gesamte Quererstreckung der mobilen Vorrichtung 1 geringer, so dass Engstellen passiert werden können.
• Mit Bezug zu den 15 bis 18 wird nun erläutert, wie ein Außenrad 9 an dem Längsträger 57 befestigt wird.
• An dem Basiselement 3 ist eine Ständervorrichtung 54 angeordnet. Wie in 15 gezeigt, kann diese Ständervorrichtung 54 nach unten geschwenkt werden. Die Ständervorrichtung 54 weist dabei eine solche Länge auf, dass sie größer als der Radius des Außenrades 9 ist. Wenn die mobile Vorrichtung 1 somit auf einer Horizontalebene C steht, und die Ständervorrichtung 54 nach unten geschwenkt wird, trifft diese mit dem unteren Ende 59 auf die Horizontalebene C auf, d. h. auf den Untergrund, auf dem die mobile Vorrichtung 1 steht. Wird die Ständervorrichtung 54 weiter geschwenkt, indem beispielsweise die mobile Vorrichtung 1 weiter vorwärtsbewegt wird, während das untere Ende 59 der Ständervorrichtung 54 den Untergrund berührt, wird die mobile Vorrichtung 1 angehoben, so dass die Außenräder 9 den Untergrund nicht mehr berühren. Auf diese Weise wird die mobile Vorrichtung 1 aufgebockt.
• Bei der Ständervorrichtung 54 ist des Weiteren ein Koppelmechanismus 60 angeordnet, welcher die Ständervorrichtung 54 mit der Schnellspanneinrichtung 55 zum Arretieren des Außenrades 9 koppelt. Dieser Koppelmechanismus 60 bewirkt, dass beim Herausschwenken der Ständervorrichtung 54 gleichzeitig ein Hebel 61 der Schnellspanneinrichtung 55 geschwenkt wird, so dass die Schnellspanneinrichtung 55 öffnet, und die Steckachse 56 des Außenrades 9 freigibt. Das Außenrad 9 kann nun demontiert werden, oder, wenn es nicht an den Längsträger 57 befestigt war, kann es in diesem Zustand montiert werden, wie es in 15 gezeigt ist.
• Die Steckachse 56 wird nun in die Öffnung 58 des Längsträgers 57 eingeführt, wie es in 16 gezeigt ist. Nun wird die Ständervorrichtung 54 wieder auf den Längsträger 57 zugeschwenkt. Auf diese Weise wird die mobile Vorrichtung 1 abgesenkt, so dass sie wieder auf dem Außenrad 9 zum Stehen kommt. Wie es in den 16 bis 18 gezeigt ist, wird durch den Koppelmechanismus 60 das Schwenken der Ständervorrichtung 54 auf die Schnellspanneinrichtung 55 übertragen, so dass diese beim Schwenken der Ständervorrichtung 54 automatisch geschlossen wird. In dem in 18 gezeigten Zustand ist die Ständervorrichtung 54 vollständig eingeklappt. In diesem Zustand ist auch die Schnellspanneinrichtung 55 geschlossen. Sie arretiert in diesem Zustand das Außenrad 9 fest an dem Längsträger 57.
• Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert:
• Die mobile Vorrichtung 1 wird zunächst zusammengebaut und in den in 1 gezeigten Zustand gebracht, bei dem die Außenräder 9 außen an dem Längsträger 57 angeordnet sind. Die mobile Vorrichtung 1 wird dann in den Objektraum gebracht, welcher erfasst werden soll. Es handelt sich dabei insbesondere um das Innere eines Gebäudes. Die drei Einzelscanner 13 bis 15, der Mehrfachscanner 16 und die Kameras 17 und 18 werden gemeinsam mit den weiteren elektronischen Einrichtungen der mobilen Vorrichtung 1 in Betrieb genommen.
• Gesteuert von der Steuereinheit 26 emittieren die Emissionseinrichtungen der Einzelscanner, d. h. die erste Emissionseinrichtung 20 des ersten Einzelscanners sowie die entsprechenden Emissionseinheiten des zweiten und dritten Einzelscanners 14, 15 Signalstrahlen, welche Signalpulse umfassen. Gleichzeitig drehen die Abtasteinrichtungen die Emissionsrichtungen der Signalstrahlen um die jeweilige Rotationsachse des Einzelscanners 13, 14, 15. Auf diese Weise werden die Ebenen erfasst, wie es mit Bezug zu den 4 bis 9 erläutert wurde. Die Empfänger der Einzelscanner 13, 14, 15 detektieren Reflektionsstrahlungen, die durch Reflektion der Signalpulse der Signalstrahlen erzeugt wurden. Die von den Empfängern detektierten Signale werden gemeinsam mit den Steuersignalen der Steuereinheit 26 an die Auswerteeinrichtung 28 übertragen.
• Des Weiteren emittiert der Mehrfachscanner 16 gesteuert von der Steuereinheit 26 eine Vielzahl von zweiten Signalstrahlen 32 in einen Emissionsfächer 42, wie es mit Bezug zu den 3 und 9 erläutert wurde. Dabei werden die zweiten Emissionseinheiten 31 mittels der zweiten Abtasteinrichtung 36 um die zweite Rotationsachse 44 gedreht. Die von dem zweiten Empfänger 35 detektierten zweiten Reflektionsstrahlungen 34 werden gemeinsam mit den Steuersignalen der Steuereinheit 26 an die Auswerteeinrichtung 28 übertragen.
• Währenddessen wird die mobile Vorrichtung 1 z. B. von einem Bediener über einen Untergrund gerollt. Von der Auswerteeinrichtung 28 werden nun fortwährend zumindest aus dem von dem zweiten Empfänger 35 detektierten Reflektionsstrahlungen 34 in Echtzeit grafische Darstellungen erzeugt und auf dem Bildschirm 19 angezeigt. Diese grafischen Darstellungen zeigen insbesondere an, durch welche Bereiche des Objektraums die mobile Vorrichtung 1 bewegt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann angezeigt werden, durch welche Bereiche des Objektraums die mobile Vorrichtung 1 bereits bewegt wurde. Der Bediener kann auf diese Weise sehr anschaulich feststellen, ob der Objektraum bereits vollständig erfasst wurde. Beispielsweise kann die grafische Darstellung in einer Farbe Bereiche enthalten, durch welche die mobile Vorrichtung 1 zu bewegen ist, und in einer anderen Farbe die Bereiche enthalten, durch welche die mobile Vorrichtung 1 bereits bewegt wurde. Dabei wird insbesondere eine Untergrundfläche eingefärbt, auf welcher die mobile Vorrichtung 1 gefahren werden kann.
• Des Weiteren steuert die Steuereinheit 26 die Kameras 17 und 18 so an, dass Einzelbilder aufgenommen werden, die zu einem Panoramabild zusammengesetzt werden können. Auch diese Bilder kann die Auswerteeinrichtung 28 ergänzend verwenden, um die grafische Darstellung zu erzeugen, welche auf dem Bildschirm 19 angezeigt wird. Sofern eine Echtzeitverarbeitung noch möglich ist, können außerdem die Signale von den Empfängern der drei Einzelscanner 13 bis 15 auch für die Erzeugung der grafischen Darstellung ergänzend berücksichtigt werden.
• Auf diese Weise fährt ein Bediener die mobile Vorrichtung 1 auf einem Untergrund durch den zu erfassenden Objektraum. Alle erfassten Signale und Daten werden dabei auch über die Datenschnittstelle 29 an die Speichereinrichtung 30 oder drahtlos an einen externen Datenspeicher übertragen. Diese Daten werden dann bei der Nachverarbeitung verwendet, um eine sehr präzise dreidimensionale Punktwolke von dem erfassten Objektraum zu erzeugen.
• Wenn die mobile Vorrichtung 1 eine Engstelle, z. B. eine enge Tür, passieren muss, können ohne Unterbrechung der Scanvorgänge die Außenräder 9 in eine innere Position ummontiert werden, wie es oben erläutert wurde. Ferner kann die mobile Vorrichtung 1, falls erforderlich, auch gekippt oder geschwenkt werden, ohne die Scanvorgänge zu unterbrechen. Auch Höhenunterschiede, beispielsweise beim Hinauffahren von Rampen, können ohne Unterbrechung der Scanvorgänge überwunden werden.
• Bezugszeichenliste

1

Mobile Vorrichtung

2

Gestell

3

Basiselement

4

Gestellkopf

5

Verstellmechanismus

6

Verstellsäulen

7

Säulenführung

8

Sensor

9

Außenräder

10

Mittelräder

11

Energiespeicher

12

Griffe

13

erster Einzelscanner

14

zweite Einzelscanner

15

dritter Einzelscanner

16

Mehrfachscanner

17

erste Kamera

18

weitere Kameras

19

Bildschirm

20

erste Emissionseinheit

21

erster Signalstrahl

22

Objekt

23

erste Reflexionsstrahlung

24

erster Empfänger

25

erste Abtasteinrichtung

26

Steuereinheit

27

Zeitgeber

28

Auswerteeinrichtung

29

Datenschnittstelle

30

Speichereinrichtung

31

zweite Emissionseinheiten

32

zweite Signalstrahlen

33

Objekt

34

zweite Reflexionsstrahlung

35

zweiter Empfänger

36

zweite Abtasteinrichtung

37

Aufnahmeplatte

38

seitlicher Abstand

39

zweite Ebene

40

erste Ebene

41

vertikaler Abstand

42

Emissionsfächer

43

Mittelchachse

44

zweite Rotationsachse

45

Querträger

46

Auflagepins

47

Führungen

48

Steckverbindung

49

Griffhebel

50

Schwenkachse

51

Arretierelement

52

Griffelement

53

Verriegelungsmechanismus

54

Ständervorrichtung

55

Schnellspanneinrichtungen

56

Steckachse

57

Längsträger

58

Öffnungen

59

unteres Ende

60

Koppelmechanismus

61

erster Schenkel

A

Vorwärtsbewegungsrichtung

B

Mittelebene

C

Horizontalebene

D

Horizontalebene

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 2913796 A1 [0002]
• EP 3228985 A1 [0033]
• DE 102011121115 B4 [0034]
• DE 102004050682 A1 [0034]
• EP 2388615 A1 [0034]
• US 2017/0269215 A1 [0034]
• EP 2199828 B1 [0069]

Claims (15)

1. Mobile Vorrichtung (1) zum Erfassen eines Objektraums mit - einem Gestell (2), - zumindest einem an dem Gestell (2) montierten Einzelscanner (13) umfassend: - eine erste Emissionseinheit (20) zum Erzeugen eines ersten Signalstrahls (21) in einer ersten Emissionsrichtung, - einen ersten Empfänger (24) zum Detektieren einer ersten Reflexionsstrahlung (23), die durch Reflexion des ersten Signalstrahls (21) an zumindest einem Objekt (22) des Objektraums erzeugt wird, und - eine erste Abtasteinrichtung (25) zum Verändern der ersten Emissionsrichtung des ersten Signalstrahls (21), - einem oberhalb von dem Einzelscanner (13) an dem Gestell (2) montierten Mehrfachscanner (16) umfassend: - eine Vielzahl von zweiten, in einem Bauteil integrierten Emissionseinheiten (31) zum Erzeugen einer Vielzahl von zweiten Signalstrahlen (32) in zweiten Emissionsrichtungen, - einen zweiten Empfänger (35) zum Detektieren von zweiten Reflexionsstrahlungen(34), die durch Reflexionen der zweiten Signalstrahlen (32) an einem oder mehreren Objekten (33) des Objektraums erzeugt werden, und - eine zweite Abtasteinrichtung (36) zum Verändern der zweiten Emissionsrichtungen der zweiten Signalstrahlen (32), - einer Auswerteeinrichtung (28), die zumindest mit dem zweiten Empfänger (35) datentechnisch gekoppelt ist und die ausgebildet ist, zumindest aus den von dem zweiten Empfänger (35) detektierten zweiten Reflexionsstrahlungen (34) in Echtzeit eine graphische Darstellung derjenigen Bereiche des Objektraums zu erzeugen und auszugeben, durch die die mobile Vorrichtung (1) bewegt werden kann und/oder bewegt wurde, und - einer Datenschnittstelle (29), die zumindest mit dem ersten Empfänger (24) datentechnisch gekoppelt ist und die ausgebildet ist, Daten, die zumindest aus der von dem ersten Empfänger detektierten ersten Reflexionsstrahlung (23) erzeugt wurden, an eine Speichereinrichtung (30) zur Nachverarbeitung auszugeben.
2. Mobile Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell (2) Aufsetzpunkte definiert, auf welchen das Gestell (2) auf einer Horizontalebene (C) frei stehen kann, und der Einzelscanner (13) an dem Gestell (2) in einem vertikalen Abstand von der von den Aufsetzpunkten definierten Ebene montiert ist, der kleiner als 60 cm ist.
3. Mobile Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Emissionsrichtungen fächerförmig ausgerichtet sind, so dass ein Emissionsfächer (42) mit einer Mittelachse (43) gebildet ist.
4. Mobile Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abtasteinrichtung (36) ausgebildet ist, die zweiten Emissionsrichtungen der zweiten Signalstrahlen (32) um eine zweite Rotationsachse (44) zu drehen, und der Mehrfachscanner (16) so an dem Gestell (2) montiert ist, dass die zweite Rotationsachse (44) um einen ersten Winkel (κ) gegenüber der Vertikalen geneigt ist, wobei der erste Winkel in einem Bereich von 5° bis 12° liegt.
5. Mobile Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abtasteinrichtung (25) ausgebildet ist, die erste Emissionsrichtung des ersten Signalstrahls (21) um eine erste Rotationsachse zu drehen, die senkrecht auf der erste Emissionsrichtung steht, so dass eine erste Ebene (40) abgetastet wird, wobei die erste Ebene (40) mit der Vertikalen einen zweiten Winkel (θ) einschließt, der in einem Bereich von 10° bis 20° liegt.
6. Mobile Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Vorrichtung (1) zumindest einen zweiten Einzelscanner (14) aufweist, umfassend eine dritte Emissionseinheit zum Erzeugen eines dritten Signalstrahls in einer dritten Emissionsrichtung, einen dritten Empfänger zum Detektieren einer dritten Reflexionsstrahlung, die durch Reflexion des dritten Signalstrahls an einem Objekt (22, 33) des Objektraums erzeugt wird, und eine dritte Abtasteinrichtung zum Verändern der dritten Emissionsrichtung des dritten Signalstrahls, wobei die dritte Abtasteinrichtung ausgebildet ist, die dritte Emissionsrichtung des dritten Signalstrahls um eine dritte Rotationsachse zu drehen, die senkrecht auf der dritten Emissionsrichtung steht, so dass eine zweite Ebene (39) abgetastet wird.
7. Mobile Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Vorrichtung (1) zumindest einen dritten Einzelscanner (15) aufweist, umfassend eine vierte Emissionseinheit zum Erzeugen eines vierten Signalstrahls in einer vierten Emissionsrichtung, einen vierten Empfänger zum Detektieren einer vierten Reflexionsstrahlung, die durch Reflexion des vierten Signalstrahls an einem Objekt des Objektraums erzeugt wird, und eine vierte Abtasteinrichtung zum Verändern der vierten Emissionsrichtung des vierten Signalstrahls, wobei die vierte Abtasteinrichtung ausgebildet ist, die vierte Emissionsrichtung des vierten Signalstrahls um eine vierte Rotationsachse zu drehen, die senkrecht auf der vierten Emissionsrichtung steht, so dass eine dritte Ebene abgetastet wird.
8. Mobile Vorrichtung (1) nach Anspruch 7 soweit dieser auf Anspruch 6 bezogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Einzelscanner (14) und der dritte Einzelscanner (15) bezüglich einer Mittelebene (B) der mobilen Vorrichtung (1) symmetrisch angeordnet und ausgerichtet sind.
9. Mobile Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite (39) und die dritte Ebene in einem Winkelbereich abgetastet werden, der kleiner als 360° ist, so dass sich bei der zweiten Ebene (39) ein zweiter toter Winkel (ε2) und bei der dritten Ebene ein dritter toter Winkel ergibt, und bei einer Ansicht entgegen einer Normalen der zweiten Ebene (39) ein erster Schenkel (61) des zweiten toten Winkels (ε2) einen dritten Winkel (γ) mit der Vertikalen einschließt, der in einem Bereich von 5° bis 10° liegt und der außerhalb des zweiten toten Winkels (ε2) ist.
10. Mobile Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell (2) ein Basiselement (3) und einen Gestellkopf (4) umfasst, wobei die Höhe des Gestellkopfs (4) durch einen Verstellmechanismus (5) veränderbar ist.
11. Mobile Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Basiselement (3) des Gestells (2) mehrere Räder (9, 10) montiert sind, mittels welchen die mobile Vorrichtung (1) über einen Untergrund gerollt werden kann, so dass das Gestell (2) fahrbar ausgebildet ist.
12. Mobile Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell (2) und/oder die Räder (9, 10) eine Vorwärtsbewegungsrichtung (A) zum Erfassen des Objektraums definieren und die zweite Rotationsachse (44) des Mehrfachscanners (16) in Vorwärtsbewegungsrichtung (A) nach vorne gekippt ausgerichtet ist.
13. Mobile Vorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Rad (9) an dem Gestell (2) mittels einer Schnellspanneinrichtung (55) montiert sind, mittels welcher das Rad (9) arretierbar ist und an dem Gestell (2) zumindest eine Ständervorrichtung (54) montiert ist, mittels welcher das Gestell (2) so anhebbar ist, dass zumindest ein Rad (9) den Untergrund nicht mehr berührt, und so absenkbar ist, dass das Gestell (2) auf den Rädern (9, 10) frei verfahrbar ist.
14. Mobile Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständervorrichtung (54) so mit zumindest der Schnellspanneinrichtung (55) eines Rades (9) gekoppelt ist, dass beim Betätigen der Ständervorrichtung (54) zum Absenken des Gestells (2) automatisch die Schnellspanneinrichtung (55) geschlossen wird und hierdurch das zugehörige Rad (9) arretiert wird.
15. Verfahren zum Erfassen eines Objektraums mittels einer mobilen Vorrichtung (1), die ein Gestell (2) zum Bewegen der Vorrichtung (1) in dem Objektraum aufweist, bei dem - zumindest ein an dem Gestell (2) montierter Einzelscanner (13) einen ersten Signalstrahl (21) in einer ersten Emissionsrichtung emittiert, ein erster Empfänger (24) eine erste Reflexionsstrahlung (23) detektiert, die durch Reflexion des ersten Signalstrahls (21) an zumindest einem Objekt (22) des Objektraums erzeugt wird, und die erste Emissionsrichtung des ersten Signalstrahls (21) mittels einer ersten Abtasteinrichtung (25) zum Erfassen des Objektraums verändert wird, - ein oberhalb von dem Einzelscanner (13) an dem Gestell (2) montierter Mehrfachscanner (16) eine Vielzahl von zweiten Signalstrahlen (32) in zweiten Emissionsrichtungen emittiert, ein zweiter Empfänger (35) zweite Reflexionsstrahlungen (34) detektiert, die durch Reflexion der zweiten Signalstrahlen (32) an einem oder mehreren Objekten (33) des Objektraums erzeugt werden, und die zweiten Emissionsrichtungen der zweiten Signalstrahlen (32) mittels einer zweiten Abtasteinrichtung (36) zum Erfassen des Objektraums verändert werden, - zumindest aus den von dem zweiten Empfänger (35) detektierten zweite Reflexionsstrahlungen (34) in Echtzeit eine graphische Darstellung derjenigen Bereiche des Objektraums zu erzeugt und ausgegeben wird, durch die die mobile Vorrichtung (1) bewegt werden kann und/oder bewegt wurde, und - Daten, die zumindest aus der von dem ersten Empfänger (13) detektierten ersten Reflexionsstrahlung (23) erzeugt werden, an eine Speichereinrichtung (30) zur Nachverarbeitung ausgegeben werden.

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