ES2200341T3 - Procedimiento de medicion utilizando la tecnica laser para objetos tridimensionales. - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un sistema de medición ayudado por l ser y destinado a los objetos tridimensionales y a superficies complejas. Según la invención, se entiende como objetos tridimensionales, preferentemente, espacios interiores de construcciones o cavidades geológicas con superficies complejas. La invención constituye una importante aportación a la racionalización y a la mejora de la precisión de tales operaciones de medición. En el procedimiento de duración de impulso conocida, la distancia se mide mediante un impulso de l ser enviado por el emisor sobre el punto de medición que después retorna. La emisión de impulsos de l ser genera un abanico de medición. Según la invención, el abanico (11) de medición se debe girar 360º, paso a paso a una velocidad constante para detectar un espacio tridimensional. Sobre una pared, se pueden obtener hasta 200.000 puntos de medición. A continuación se efectúa una evaluación adecuada de los datos de medición para la estructura de un modelo en hilos de 3-D.

Description

Procedimiento de medición utilizando la técnica láser para objetos tridimensionales

La presente invención se refiere a un sistema de medición, asistido por láser, para objetos tridimensionales y superficies complicadas. Los objetos tridimensionales en el sentido de la invención son preferentemente los espacios interiores de edificios con escaleras y corredores, es decir, todos los espacios interiores desde el sótano hasta el desván. Las cavidades geológicas con superficies complicadas se deben citar además como ejemplo, cuya medición es posible con el nuevo sistema utilizando la técnica láser.

En los grupos profesionales de arquitectos, sector de la construcción, peritos y restauradoras, pero también las empresas de levantamientos topográficos, geólogos y arqueólogos, la medición manual de los espacios interiores existentes toma de mediciones o de las cavidades naturales son extraordinariamente frecuentes y en parte, un proceso de trabajo complicado, que lleva consigo considerables dispendios de tiempo y de personal. Además, a través del factor "hombre" se presentan errores e inexactitudes de medición, que no se pueden eliminar con mediciones repetidas. En este contexto hay que constatar que mediante los procedimientos usuales, en el que se determinan manualmente suficientes puntos de medición, son inevitables otras inexactitudes en el sentido de la representación deformada.

Es conocido desde hace años llevar a cabo mediciones de edificios por métodos fotogramétricos. Con ello hay que constatar que:

\bullet

La evaluación de las mediciones existentes como fotografía digitalizada está automatizada hasta ahora como un máximo en zonas parciales, teniendo lugar en su mayor parte el reconocimiento y determinación de los límites del objeto (bordes y gargantas) de forma manual.

\bullet

Debido al ángulo de apertura limitado o de la fuerte distorsión de los bordes con grandes ángulos de apertura ("ojo de pez") se miden casi exclusivamente fachadas o detalles arquitectónicos.

\bullet

El gran dispendio manual y con ello los costes que lleva consigo son muy elevados. Además, con el procedimiento de medición disponible actualmente sólo es posible medir como máximo 300 puntos por jornada de trabajo.

Un método de medición en relación con la técnica láser es el procedimiento del tiempo de propagación de los impulsos. Un impulso de luz extremadamente corto es emitido por una fuente láser y desviado por una espejo que gira con una elevada velocidad angular. Estos impulsos de luz se reflejan por un objeto de medición que se encuentra hasta 50 metros de distancia y se registran por un receptor existente en el escáner láser. Se mide el tiempo entre la emisión y la recepción y con ello se determina la distancia al objeto de medición explorado para cada rayo y para cada punto de la superficie explorada. Este método de medición, mediante un único impulso de luz individual, desde el emisor al punto de medición y retorno al receptor se denomina "procedimiento de tiempo de propagación del impulso".

En éste contexto, se debe remitir al documento DE 43 40 756 A1 con el título "Determinación de la distancia por láser". Un radar láser presenta un láser de impulsos, que emite los impulsos de luz controlados en una zona de medición, una disposición de fotorrecepción, que recibe los impulsos de luz retornados por el objeto que se encuentra en la zona de medición, y un circuito de evaluación que, teniendo en cuenta la velocidad de la luz, a partir del tiempo entre la emisión y la recepción de un impulso de luz, determina una señal de distancia característica para la distancia del objeto. Entre la zona de medición y el láser de impulsos se ha dispuesto un dispositivo de desvío de luz, el cual dirige los impulsos de luz con los ángulos, que se modifican cada vez más, en la zona de medición y al mismo tiempo en el circuito de evaluación emite una señal de posición angular representativa para su posición de ángulo momentánea. El circuito de evaluación determina desde la señal de distancia y la señal de posición angular el lugar del objeto dentro de la zona de medición.

La cantidad de los valores de distancia obtenidos en un plano por encima de un semicírculo se designa a continuación como "abanico de medición".

Los ejemplos explicados muestran que no es posible, empleando la técnica moderna, como, por ejemplo, con cámaras digitales o empleando la técnica láser, medir espacios tridimensionales de forma racional y con suficiente exactitud, como por ejemplo, es necesario en la toma de mediciones. No es posible con objetos grandes tridimensionales preparar en la oficina valores de medición en el sentido de un sistema de datos general, de tal manera que con ello se disponga de todas las mediciones del objeto tridimensional para el posterior procesado. Como se ha dicho al principio, la evaluación de fotos digitalizadas (sólo es posible la automatización parcialmente) tampoco significa ninguna simplificación en la medición de los objetos.

Según el documento DE 42 10 245 C2 se describe un sistema de registro topográfico para un cuerpo volante para la exploración del terreno. Con ello se trata de un procedimiento de medición topográfico, que para la evaluación de la medición necesita las coordenadas absolutas. Éstas se preparan mediante sistemas GPS y en el INS (sistema de navegación inercial) existente en los aviones. Del estado de la técnica se dice en el citado documento DE 42 10 245 C2, que mediante la búsqueda de puntos de imagen homólogos es posible en una etapa de preparación de señales subsiguientes, calcular, a partir de las señales de la imagen para los datos de orientación de vuelos necesarios para la evaluación en todos los seis grados de libertad seleccionados y preparar cintas de imágenes estereoscópicas o un modelo tridimensional del terreno sobrevolado en forma digital. Con el perfeccionamiento del estado de la técnica mediante la invención correspondiente al documento DE 42 10 245 C2 se necesitan también otros datos absolutos. Empleando una cámara de líneas y un sensor de distancia, a la que se conecta en serie una etapa de procesado de señales, sin lograr la localización de puntos de imagen homólogos para el cálculo de cintas de imágenes estereoscópicas. La correlación de puntos de imagen homólogos exige, sin embargo, un dispendio de cálculo elevado y se hacen propuestas para solucionarlo. Con este procedimiento, se mide mediante el sistema de registro topográfico en cintas paralelas. No es adecuado en ningún caso para la visualización de espacios interiores y medición de 3D.

La presente invención tiene por objeto proponer un procedimiento de medición, preferentemente para espacios interiores, con el cual tiene lugar una medición óptima automatizada única, y evaluación asistida por ordenador, y con ello se dispone de todos los datos de medición, incluso objetos complicados. La presente invención tiene en éste contexto, además, el objetivo de permitir una visualización completa del espacio 3D a partir de los valores de medición digitales.

De acuerdo con la invención se consigue este objetivo como se indica a continuación, remitiéndose en cuanto a la solución inventiva básica a la reivindicación 1. Las otras configuraciones de la invención resultan de las subreivindicaciones 2 a 6.

Para realizar el procedimiento según la invención, se debe realizar, además que el abanico esté dispuesto verticalmente y moverse horizontalmente. Mediante este procedimiento se suministra una cantidad de puntos dispuestos en forma de rejilla en las superficies que limitan un entorno esférico, junto con su distancia al punto de medición.

Para que se pueda captar un espacio tridimensional, debe girar el abanico de medición 360º. Para obtener un número de puntos de medición que es necesario para la precisión que es necesario en la practica, se debe seleccionar con esta rotación las distancias de medición por debajo de 0,25º.

Los valores de medición de los diferentes abanicos de medición se transmiten en tiempo real a un ordenador de mando. Mediante el gran número de valores de medición y en ayuda de compensación estática realizada por el software de evaluación se consigue una precisión relevante para la práctica, así como un tiempo justificable para una medición en todo el alrededor. El tiempo de medición total para todo un espacio interior es de aproximadamente 4 min., previendo el procedimiento una velocidad variable del dispositivo de rotación. De este modo se puede adaptar la medición a las necesidades locales. De acuerdo con el procedimiento, cada valor de medición está digitalizado y está en una relación matemática con su punto vecino. La nube de puntos existente corresponde a la superficie de la envoltura del espacio interior se evalúa de tal forma que los puntos se pueden asignar a grupos. Mediante regresiones bidimensionales se recogen matemáticamente estas relaciones en una estructura de superficies. Se originan de este modo la expresión analítica de un plano en el espacio. De acuerdo con la posición y el incremento se pueden definir diferentes tipos de planos. Dos planos se combinan como sus superficies de corte proporcionan rectas para la estructura de un modelo alámbrico de 3D con el dimensionado como dibujo CAD conforme a la forma.

Hay que añadir que paralelamente a la medición periférica, con el escáner láser se puede captar adicionalmente el espacio a medir a través de una cámara digital. Las imágenes digitales pueden proporcionar con el proceso de trabajo "evaluación de los datos de medición" y con eventuales trabajos de seguimiento de los datos del objeto informaciones adicionales. Además, en representación de los datos del objeto se pueden generar complementariamente representaciones fotorrealistas del objeto a medir.

Mediante un ejemplo de realización se explicará ahora la invención.

Las diferentes figuras muestran:

La figura 1, el esquema de bloques según el procedimiento de medición,

La figura 2, el dispositivo de nivelación con representación del movimiento en abanico de medición,

La figura 3, la disposición de los puntos de medición.

Los números de referencia empleados significan:

1 escáner láser

2 videocámara

3 dispositivo de alojamiento

4 dispositivo de evaluación

5 trípode

6 ordenador de mando

7 suministro de corriente

8 flujo de energía

9 flujo de información

10 unión de material (unión mecánica)

11 abanico de medición

12 interrupción automática

El escáner láser 1, que trabaja según la medición del tiempo de propagación de los impulsos, está en condiciones de medir la distancia a cualquier objeto con una precisión de \pm1 mm en una zona de 200 m de diámetro. Mediante el mando correspondiente del escáner láser 1 en el proceso de medición se mide en todas las superficies de un recinto. Según la figura 2 se puede ver, qué impulsos de luz son necesarios para las representaciones en forma de abanico (abanico de medición 11) y cómo el abanico de medición 11 gira 360º.

En el trípode 5 se ha dispuesto el dispositivo de nivelación 4, el dispositivo de alojamiento 3 para el escáner láser 1 y la videocámara 2 (cámara digital). La unión 10 entre estos componentes tiene lugar mediante uniones mecánicas.

Según la figura 1, se puede reconocer partiendo del suministro de corriente 7 del flujo de energía 8. El flujo de información 9 tiene lugar entre ordenador de mando 6 y el dispositivo de nivelación automática 4, situado entre el ordenador de mando 6 y el dispositivo de alojamiento 3 (con accionamiento eléctrico) así como entre el ordenador de mando y el escáner láser 1 y además la videocámara 2. Con el número de posición 12 se designa una interrupción automática y retorno a "cero" = arranque con imprecisión.

Hay que destacar que el dispositivo de alojamiento gira continuamente 360º en pasos de 0,25º. Para ello la dirección de un abanico de medición no se ha dibujado ortogonalmente a la dirección de rotación horizontal, sino como en la figura 3. Porque con ello no se alcanzan con varias mediciones realizadas una tras otra los mismos puntos, no se pueden utilizar la compensación de los valores de medición realizador internamente en el escáner láser. Sin embargo, debido al número de los valores de medición que se producen es posible una compensación estática en el software de evaluación. De este modo se consigue una precisión de los resultados relevante en la práctica después de la evaluación.

La evaluación de los datos de medición se lleva a cabo independientemente del tiempo de la captación en el ordenador de evaluación. El programa de evaluación se encarga - en caso necesario en diálogo con el operador del reconocimiento - de los diversos elementos del objeto. Los puntos de medición se asignan para ello a las superficies límite de un recinto. Para ello la dispersión de los valores de medición se tiene en cuenta y se consigue una mejora de la precisión mediante la formación de valores medios del extenso material numérico (aproximadamente 100.000 a 200.000 valores por pared)

Con estructuras complicadas y puntos de medición críticos, como, por ejemplo, los puntos de partida de medición contigua, por el operador, mediante la compensación con los registros de la cámara digital, se muestran sincronizados con los valores de medición y de los elementos ya reconocidos en la pantalla, que controla y eventualmente corrige la interpretación.

Los datos de los diferentes espacios se combinan entre sí y en un modelo del objeto total (de este modo, como por ejemplo, de las superficies límite de los espacios contiguos, se convierten las paredes de estos espacios). Con varios puntos de partida en un espacio se procede de la forma correspondiente. El modelo generado se prepara para una utilización ulterior. Todas las paredes se resuelven en segmentos aislados, que son de formas básicas geométricas. Para ello se reconocen elementos correspondientes. Un operador puede influir este proceso asimismo en el diálogo. El resultado de este paso de trabajo es el archivo en formato "DXF" que representa el objeto medios como dibujo 3D y como por ejemplo, se puede utilizar directamente del AutoCad.

Claims (6)

1. Procedimiento de medición, basado en la técnica láser para objetos tridimensionales, preferentemente para espacios interiores, teniendo en cuenta el procedimiento de tiempo de propagación de los impulsos mediante la emisión y recepción de impulsos láser en el sentido de un abanico de medición, caracterizado porque un escáner láser (1) emite y recibe impulsos láser, que gira 360º, el abanico de medición (11) en forma de semicírculo, formado por impulsos láser digitaliza los datos de medición averiguados y cada valor de medición está en una relación matemática con su puntos vecino, la nube de puntos existente corresponde a la superficie de la envoltura interior evaluada, de tal manera que los puntos se asignan a grupos, se captan a través de regresiones bidimensionales de estas referencias en una estructura de superficies, se definen a través de la expresión analítica de un plano del espacio correspondiendo la posición y al incremento de diferentes tipos de planos, y sus planos se combinan de tal forma desde, que sus superficies de corte proporcionan rectas para la estructura de un modelo de alambrino de 3D.

2. Procedimiento de medición, según la reivindicación 1, caracterizado porque los valores de medición se visualizan a través de un ordenador de evaluación.

3. Procedimiento de medición, según la reivindicación 1, caracterizado porque paralelamente al escáner láser (1) se capta una videocámara (2) para el espacio interior de medir.

4. Procedimiento de medición, según la reivindicación 1, caracterizado porque el abanico de medición (11) gira con velocidad constante en pasos de 360º.

5. Procedimiento de medición, según la reivindicación 1, caracterizado porque el abanico de medición (11) gira 360º en pasos \leq 0,25º

6. Procedimiento de medición, según las reivindicaciones 1 y 4, caracterizado porque el sistema total corresponde a los números de referencia 1 a 5 de la captación de espacios interiores se sitúan de distinta manera.