AT510066B1 - Vorrichtung zum mobilen laserscannen - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (1) zum mobilen Laserscannen, mit einer mit­tels Schultergurten (3) von einem Benutzer rucksackartig trag­baren Rückenhalterung (2), die mit zumindest einem Laserscan­nermodul (6, 19) bestückt ist, welches in der Tragestellung der Vorrichtung eine Umgebung des Benutzers abtastet.

Description

österreichisches Patentamt AT510 066B1 2012-07-15

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum mobilen Laserscannen.

[0002] Mobiles Laserscannen („mobile laser scanning", MLS) wird bereits in vielen Bereichen angewendet, um die Topographie einer Landschaft oder einer Umgebung kostengünstig zu erfassen, insbesondere in kleinräumigen oder unzugänglichen Gebieten, in denen herkömmliche luft- oder satellitengestützte Vermessungssysteme nicht einsetzbar sind. MLS-Systeme dringen zunehmend auch in unwegsame Bereiche vor, in denen selbst fahrzeuggestützte Systeme versagen, wie archäologische Ausgrabungsstätten, in denen zahlreiche Hindernisse unter größtmöglicher Schonung ihrer Substanz zu überwinden sind. Die Erfindung setzt sich zum Ziel, eine Vorrichtung zum mobilen Laserscannen zu schaffen, welche für diese Einsatzbereiche geeignet ist.

[0003] Dieses Ziel wird mit einer Vorrichtung der einleitend genannten Art erreicht, welche sich durch eine mittels Schultergurten von einem Benutzer rucksackartig tragbare Rückenhalterung auszeichnet, die zumindest mit einem Laserscannermodul bestückt ist, welches in der Tragestellung der Vorrichtung eine Umgebung des Benutzers abtastet.

[0004] Auf diese Weise wird ein „manngestütztes" MLS-System geschaffen, welches eine kostengünstige Laserscanerfassung kleinräumiger und unwegsamer Bereiche wie archäologischer Ausgrabungsstätten, Bergwerksstollen, unbefahrbarer enger Straßenzüge, Fußgängerzonen usw. ermöglicht.

[0005] Laserscannermodule für MLS-Anwendungen können ein beträchtliches Gewicht erreichen, z.B. 10 kg bis 20 kg, was ihre ruhige Führung in unwegsamem Gelände erschwert. In einem weiteren Aspekt setzt sich die Erfindung daher zum Ziel, eine rucksackartige tragbare MLS-Vorrichtung zu schaffen, welche eine möglichst ruhige Führung für den Benutzer auch unter erschwerten Gehbedingungen ermöglicht. Dieses Ziel wird mit einer Laserscanvorrichtung der geschilderten Art erreicht, welche sich dadurch auszeichnet, daß die Schultergurte und/oder die Rückenhalterung mit einem vor den Körper des Benutzers hin auskragenden Gegengewicht versehen ist/sind.

[0006] Auf diese Weise wird das Halten des Gleichgewichts für den Benutzer in schwerem Gelände wesentlich erleichtert, was eine ruhige Führung und damit Bewegungsbahn („Trajekto-rie") des Laserscannermoduls begünstigt.

[0007] Bevorzugt ist das Gegengewicht am Ende eines auskragenden Trägers befestigt, der starr mit der Rückenhalterung verbunden oder verbindbar ist. Aufgrund der Hebelwirkung des auskragenden Trägers kann mit einem leichten Gegengewicht das Auslangen gefunden werden.

[0008] Besonders günstig ist es, wenn das Gegengewicht zumindest durch einen elektronischen Bedienteil für das Laserscannermodul gebildet ist, bevorzugt einen tragbaren Computer, wodurch das Gewicht dieser Komponenten gleichzeitig als Ballast des Gegengewichts ausgenützt werden kann.

[0009] Aus denselben Gründen ist es besonders vorteilhaft, wenn das Gegengewicht zumindest durch ein Batteriepack zur Stromversorgung der Vorrichtung gebildet ist.

[0010] In vorteilhafter Weise sind die Schultergurte in Form einer Weste ausgebildet, sodaß das Gewicht besser auf den Körper verteilt wird und lokale Druckstellen vermieden werden können.

[0011] In einem weiteren Aspekt befaßt sich die Erfindung mit der Problemstellung, daß bei einer rucksackartig tragbaren MLS-Vorrichtung der Körper des Benutzers einen Abschattungsbereich für den Laserscanner bildet. Die Erfindung setzt sich demgemäß als weitere Aufgabenstellung, diesen Abschattungsbereich möglichst klein zu halten, d.h. den zur Verfügung stehenden nicht-abgeschatteten Raumwinkelbereich möglichst gut auszunützen.

[0012] Zu diesem Zweck zeichnet sich eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung 1 /7 österreichisches Patentamt AT510 066B1 2012-07-15 dadurch aus, daß das Laserscannermodul ein 3D-Laserscanner ist, welcher einen um eine Hochachse verschwenkbaren Laserstrahlfächer aussendet. Dadurch kann der Laserstrahlfächer des Laserscanners in einem beliebigen Winkel um die Hochachse vom Rücken des Benutzers weg gerichtet werden, und zwar sowohl in einem vorgewählten statischen Winkel, wenn sich der Benutzer bewegt, oder über einen Winkelbereich geschwenkt, wenn der Benutzer steht oder auch geht.

[0013] Besonders günstig ist dabei, wenn der 3D-Laserscanner mit verstellbarer Hochachse an der Rückenhalterung gelagert ist, sodaß der Laserstrahlfächer auch Schräglagen einnehmen kann.

[0014] Eine zur Lösung des genannten Abschattungsproblems besonders vorteilhafte Alternative besteht darin, daß das Laserscannermodul ein 2D-Laserscanner ist, der einen teil- oder vollkreisförmigen Laserstrahlfächer aussendet, wobei der 2D-Laserscanner von der Rückenhalterung nach hinten derart auskragt, daß der Laserstrahlfächer am Körper des Benutzers ungehindert vorbeitreten kann.

[0015] Bevorzugt ist der 2D-Laserscanner ein 360°-2D-Laserscanner, dessen Laserstrahlfächer in der Tragestellung der Vorrichtung schräg zur Vertikalen einstellbar ist. Dadurch kann die Umgebung in einer ganzen Abtastebene erfaßt werden, ohne daß Abschattungen entstehen; überdies kann die Vorrichtung damit an unterschiedliche Einsatzzwecke und Scanschemata angepaßt werden.

[0016] In jedem Fall ist es besonders günstig, wenn gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die Rückenhalterung einen hochragenden Mast für die Antenne einer Satellitennavigationseinrichtung zur Positionsbestimmung des Laserscannermoduls abstützt. Diese Maßnahme ermöglicht einen störungsfreien Empfang des Satellitensignals durch die hohe Anordnung der Antenne.

[0017] Bevorzugt stützt die Rückenhalterung auch eine Trägheitsmeßeinrichtung („inertial measurement unit", IMU) zur Trajektorienbestimmung des Laserscannermoduls zwecks verbesserter Genauigkeit.

[0018] Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigt: [0019] Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung der Erfindung in einer Perspek tivansicht in der Tragestellung; und [0020] Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung der Erfindung in derselben Dar stellungsweise.

[0021] Fig. 1 zeigt eine von einem Benutzer tragbare Vorrichtung 1 zum mobilen Laserscannen („mobile laser scanning", MLS) , beispielsweise für unwegsame Gebiete wie archäologische Ausgrabungsstätten, Bergbaugruben, unbefahrbare Gebiete wie Fußgängerzonen usw. Die Vorrichtung 1 umfaßt eine rucksackartige Rückenhalterung 2, die mittels Schultergurten 3 und -optionalen - Brust- und Hüftgurten 4, 5 am Rücken des Benutzers verankerbar ist. Die Schulter-und optionalen Brust- und Hüftgurte 3, 4, 5 sind bevorzugt so geformt, daß sie anatomisch optimal an den Körper angepaßt sind.

[0022] Die Rückenhalterung 2 trägt ein Laserscannermodul in Form eines 3D-Laserscanners 6, der zusätzlich mit einer Trägheitsmeßeinrichtung 7 und einer Satellitennavigationseinrichtung 8 ausgestattet ist, deren Antenne 9 am oberen Ende eines von der Rückenhalterung 2 hochragenden Masts 10 montiert ist.

[0023] Unter einem „3D-Laserscanner" wird in der vorliegenden Beschreibung ein Laserscanner verstanden, dessen Laserabtaststrahl in beliebige Richtung gerichtet werden kann, um ein 3D-Abbild bzw. Tiefenbild („3D-Punktewolke") an Entfernungsmeßpunkten) seiner Umgebung zu erstellen. Zu diesem Zweck wird der Laserabtaststrahl z.B. mit Hilfe eines rotierenden Spiegelprismas in Form eines Abtastfächers 11 ausgesandt, der um eine zusätzliche Achse, hier eine Hochachse 12, dreh- oder schwenkbar ist. Ein Beispiel eines derartigen 3D-Laserscanners 2/7 österreichisches Patentamt AT510 066 B1 2012-07-15 ist das Produkt mit der Markenbezeichnung VZ® 400 der Firma RIEGL Laser Measurement Systems GmbH in Horn, Österreich.

[0024] Der 3D-Laserscanner 6 kann auf zweifache Art und Weise eingesetzt werden: Zum einen kann der Laserstrahlfächer 11 durch Verschwenken in eine vorgegebene Richtung um die Hochachse 12 eingestellt werden und durch die Fortbewegung des Benutzers tastet der Laserstrahlfächer 11 die Umgebung fortlaufend ab. Zum anderen kann der Benutzer stehenbleiben und der Laserstrahlfächer 11 wird kontinuierlich um die Hochachse 12 gedreht oder geschwenkt, um ein 3D-Abbild der Umgebung zu erstellen; natürlich kann der Laserstrahlfächer 11 auch während der Bewegung des Benutzers verschwenkt werden.

[0025] Mit Hilfe der Trägheitsmeßeinrichtung 7 und der Satellitennavigationseinrichtung 8 können der exakte Ort bzw. die exakte Bewegungsbahn und Lage („Trajektorie") des Laserscanners 6 ermittelt und aufgezeichnet werden, wodurch die Scandaten („Abtastpunktewolke") des Laserscanners 6 korrekt im Weltkoordinatensystem ausgerichtet werden können, wie dem Fachmann bekannt.

[0026] Da das Laserscannermodul 6 mitsamt seinen Zusatzkomponenten 7-10 und der Rückenhalterung 2 ein Gewicht von bis zu 20 bis 30 kg am Rücken des Benutzers erreichen kann, umfaßt die Vorrichtung 1 ein vor den Körper des Benutzers hin auskragendes Gegengewicht 13 zur Austarierung. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist das Gegengewicht 13 am Ende eines starr mit der Rückenhalterung 2 verbundenen Trägers 14 befestigt. Der Träger 14 kann beispielsweise ein Bügel sein, welcher um den Körper des Benutzers herumläuft, z.B. vor die Brust oder den Bauch. Das Gegengewicht 13 kann einfach Ballast sein oder umfaßt einen elektronischen Bedienteil 15 für das Laserscannermodul 6, beispielsweise einen tragbaren Computer, Laptop, Notebook, PDA usw. Alternativ oder zusätzlich kann das Gegengewicht 13 ein Batteriepack 16 zur Stromversorgung der Vorrichtung 1 umfassen. Falls gewünscht, kann der Träger 14 auch an den Schultergurten 3, dem Brustgurt 4 und/oder dem Hüftgurt 5 verankert werden.

[0027] Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei welcher die Schultergurte 3 zusammen mit den optionalen Brust- und Hüftgurten 4, 5 in Form einer Weste ausgebildet sind, welche vom Benutzer wie ein Kleidungsstück angezogen werden kann. Das Gegengewicht 13 ist hier in einer bauchladenartigen Bauch- bzw. Brusttasche 17 angeordnet, beispielsweise als Batteriepack 16, auf dem ein Webpad 18 als Bedienteil für die Vorschreibung 1 montiert ist.

[0028] Das Laserscannermodul ist bei Ausführungsform von Fig. 2 ein 2D-Laserscanner 19. Unter einem „2D-Laserscanner" wird in der vorliegenden Beschreibung ein Laserscanner verstanden, dessen Laserabtaststrahl sich nur innerhalb einer einzigen Abtastebene bewegt, d.h. einen einzigen Strahlenfächer 20 auf die Umgebung aussendet, um aus der Reflexion ein 2D-Profil der Umgebung zu erstellen, welches der Schnittlinie der Abtastebene mit dem Umgebungsrelief entspricht. Durch Fortbewegung des Benutzers mit der Vorrichtung 1 kann dann aus mehreren aufeinander folgenden 2D-Profilen wieder ein 3D-Abbild („Abtastpunktewolke") der Umgebung erstellt werden.

[0029] Der Laserstrahlfächer 20 des 2D-Laserscanners 19 kann teilkreisförmig (sektorförmig) sein oder bevorzugt vollkreisförmig, in welchem Fall der 2D-Laserscanner 19 auch als „360°-2D-Laserscanner" bezeichnet wird, weil sein Laserabtaststrahl in der Abtastebene seines Fächers 20 um volle 360° rotiert. Ein Beispiel eines derartigen 360°-2D-Laserscanners ist das Produkt mit der Markenbezeichnung VQ® 250 der Firma RIEGL Laser Measurement Systems GmbH in Horn, Österreich.

[0030] Wie in Fig. 2 ersichtlich, kragt der 2D-Laserscanner 19 von der Rückenhalterung 2 derart nach hinten raus, daß der Laserstrahlfächer 20 am Körper des Benutzers ungehindert vorbeitreten kann. Damit kann der Laserstrahlfächer 20 in der Tragestellung der Vorrichtung 1 auch schräg zur Vertikalen liegen und dennoch am Kopf des Benutzers ungehindert vorbeitreten. Eine derartige Schrägstellung ist häufig vorteilhaft, um Hin-terschneidungen in Bodennähe oder über Kopf zu scannen. Bevorzugt ist dazu das Laserscannermodul 19 winkelmäßig einstellbar 3/7

Claims (12)

1. österreichisches Patentamt AT510 066B1 2012-07-15 an der Rückenhalterung 2 gelagert. [0031] An der Rückenhalterung 2 können auch eine oder mehrere Foto- oder Filmkameras 21 montiert werden, siehe Fig. 1, um zusätzlich fotographische und/oder Filmaufnahmen der Umgebung während des Laserscannens zu erstellen. [0032] Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfaßt alle Varianten oder Modifikationen, die in den Rahmen der angeschlossenen Ansprüche fallen. Patentansprüche 1. Vorrichtung zum mobilen Laserscannen, gekennzeichnet durch eine mittels Schultergurten (3) von einem Benutzer rucksackartig tragbare Rückenhalterung (2), die mit zumindest einem Laserscannermodul (6, 19) bestückt ist, welches in der Tragestellung der Vorrichtung (1) eine Umgebung des Benutzers abtastet.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schultergurte (3) und/oder die Rückenhalterung (2) mit einem vor den Körper des Benutzers hin auskragenden Gegengewicht (13) versehen ist/sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegengewicht (13) am Ende eines auskragenden Trägers (14) befestigt ist, der starr mit der Rückenhalterung (2) verbunden oder verbindbar ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegengewicht (13) zumindest durch einen elektronischen Bedienteil (15) für das Laserscannermodul (6, 19) gebildet ist, bevorzugt einen tragbaren Computer.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegengewicht (13) zumindest durch ein Batteriepack (16) zur Stromversorgung der Vorrichtung (1) gebildet ist.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schultergurte (3) in Form einer Weste (3 - 5) ausgebildet sind.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserscannermodul (6) ein 3D-Laserscanner ist, welcher einen um eine Hochachse (12) ver-schwenkbaren Laserstrahlfächer (11) aussendet.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der 3D-Laserscanner (6) mit verstellbarer Hochachse (12) an der Rückenhalterung (2) gelagert ist.
9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserscannermodul (19) ein 2D-Laserscanner ist, der einen teil- oder vollkreisförmigen Laserstrahlfächer (20) aussendet, wobei der 2D-Laserscanner von der Rückenhalterung (2) nach hinten derart auskragt, daß der Laserstrahlfächer (20) am Körper des Benutzers ungehindert vorbeitreten kann.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der 2D-Laserscanner (19) ein 360°-2D-Laserscanner ist, dessen Laserstrahlfächer (20) in der Tragestellung der Vorrichtung (1) schräg zur Vertikalen einstellbar ist.
11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückenhalterung (2) einen hochragenden Mast (10) für die Antenne (9) einer Satellitennavigationseinrichtung (8) zur Positionsbestimmung des Laserscannermoduls (6, 19) abstützt. 4/7 österreichisches Patentamt AT510 066 B1 2012-07-15
12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückenhalterung (2) eine Trägheitsmeßeinrichtung (7) zur Trajektorienbestimmung des Laserscannermoduls (6, 19) abstützt. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 5/7