DE10331321B4

DE10331321B4 - Vorrichtung und Verfahren zur dreidimensionalen Objekterfassung

Info

Publication number: DE10331321B4
Application number: DE2003131321
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Klafft; Jan Dipl.-Ing. Stallkamp; Ingo Löffler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2023-07-11
Also published as: DE10331321A1

Abstract

Vorrichtung zur dreidimensionalen Objekterfassung relativ zu wenigstens einem vorgebbaren, räumlichen Bezugspunkt, mit einem mobilen Sendegerät (1) sowie einem an den räumlichen Bezugspunkt positionierbares Empfangsgerät (5)
dadurch gekennzeichnet,
– dass das Sendegerät (1) einen Schallwellensender, eine Antenneneinheit zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen sowie eine Triggereinrichtung aufweist, die bei Berühren des Objektes mit dem Sendegerät (1) ein Signal erzeugt, durch das der Schallwellensender und die Antenneneinheit zeitlich gekoppelt zur Abstrahlung von Schall- bzw. elektromagnetischen Wellen aktivierbar sind und dass das Sendegerät (1) über ein Eingabemittel (7) verfügt, über das eine Objekt-spezifische semantische Information eingebbar ist, die über die Antenneneinheit zum Empfangsgerät (5) übermittelbar und in diesem auswertbar ist,
– dass das Empfangsgerät (5) wenigstens drei, vorzugsweise vier, Mikrophone (6) zum räumlich getrennten Schallwellennachweis sowie eine Empfangsantenne für den Empfang der elektromagnetischen Wellen aufweist und eine Auswerte- und Speichereinheit vorsieht, die die erfassten Schallwellen zeit- und ortsaufgelöst zur Objekterfassung auswertet und...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur dreidimensionalen Objekterfassung relativ zu wenigstens einem vorgebbaren, räumlichen Bezugspunkt mit einem mobilen Sendegerät sowie einem an den räumlichen Bezugspunkt positionierbares Empfangsgerät.
Stand der Technik
Gattungsgemäße Vorrichtungen zur räumlichen Objekterfassung bzw. -vermessung sind bereits seit geraumer Zeit bspw. aus dem Bereich der Geländevermessung bekannt. Im Wege der sogenannten Tachymetrie ist es möglich, von einem Referenzpunkt entfernt gelegene Objektpunkte durch Horizontalwinkel, Distanz und Höhenwinkel relativ zum Referenzpunkt räumlich exakt zu erfassen. Hierbei bedient man sich eines sogenannten Tachymeters, das in Art eines Fernrohres aufgebaut ist und innerhalb des Blickfeldes Mess- bzw. Referenzfäden aufweist, die einen konstanten Öffnungswinkel markieren. Zur Entfernungsmessung wird am Objektpunkt der Messstrecke eine Distanzplatte senkrecht aufgestellt, wobei eine durch die Distanzplatte vorgegebene Referenzlänge, die zwischen zwei Messfäden des Tachymeters sichtbar ist, proportional zur Entfernung zum anvisierten Objektpunkt ist. Mit Hilfe eines derartigen Tachymeters ist es möglich, die exakte räumliche Lage einzelner, entfernt von einem Referenzpunkt liegender Objektpunkte zu vermessen. Ebenso kann durch vielfaches Anvisieren eines entfernt gelegenen Objektes das Objekt selbst durch Zusammenschau der einzelnen Objektpunkte räumlich erfasst werden.
Eine weitere Variante zur räumlichen Erfassung von Objekten bietet die Photogrammetrie, die eine Auswertung von Bildern betrifft, die von jeweiligen Objekten gemacht worden sind. Bekannte Anwendungsbeispiele hierfür sind beispielsweise Satellitenbildauswertungen oder die Auswertung von Bildmaterial, das mittels Flugzeug-gestützter Kamerasysteme gewonnen wird.
Eine weitere Alternative zur Maßaufnahme von Objekten bieten Laserscanner, die einen Raum dreidimensional abtasten und ein metrisches Abbild eines entfernt gelegenen Objektes oder eines Raumes erzeugen, das aus Millionen von einzelnen Messpunkten besteht. Derartige Laserscanner verfügen über eine hohe Erfassungsqualität, d.h. die mit derartigen Systemen gewonnenen Raumdaten liefern ein höchstgenaues virtuelles Abbild eines vermessenen Objektes oder Raumes, doch sind derartige Systeme sehr teuer in der Anschaffung, wodurch Laserscanner für viele Kleinanwendungen zu kostspielig sind.
Weitaus kostengünstiger sind einfache, laserbasierte Entfernungsmesssysteme, die als Handgeräte auf dem Markt erhältlich sind und die genaue Entfernung zwischen einem Referenzpunkt und einem entfernt gelegenen Objektpunkt ermitteln. Derartige laserbasierte Entfernungsmesssysteme verfügen überdies über Software-gestützte Auswertealgorithmen, mit denen beispielsweise einfache Berechnungen von Flächen- oder Volumenmaßen möglich sind. Gilt es beispielsweise das Flächenmaß einer Zimmerwand zu erfassen, so bedarf es lediglich der Erfassung von Länge und Höhe der jeweiligen Wandfläche. Das berechnete Flächenergebnis wird beispielsweise an einer in dem Entfernungsmessgerät integrierten Monitoreinheit visuell dargestellt.
Auch finden sich vielfach in Fachpublikationen Hinweise auf die Objektvermessung mit Hilfe Satelliten-gestützter Navigationssysteme, die insbesondere im Baubereich zunehmend Einzug finden. Nachteilhaft bei derartigen, insbesonders tragbaren bzw. portablen Messgeräten ist jedoch ihre unzureichende Messgenauigkeit, deren Messfehler im Bereich von einigen wenigen Metern liegt. Zwar ist es möglich, die Messgenauigkeit unter Verwendung spezieller Zusatztechnologien zu optimieren, beispielsweise unter Verwendung der sogenannten TCAR-Technologie (Three Carrier Ambiguity Resolution), doch sind die zur Zeit angebotenen tragbaren Messsysteme noch nicht leistungsfähig genug, um im alltäglichen Einsatz zuverlässige Messergebnisse zu liefern. Dies Systeme sind insbesondere für die Anwendung in Innenräumen nicht geeignet, da dort der Empfang der Satellitensignale beeinträchtigt ist.
Alle vorstehend genannten Messsysteme bzw. Messverfahren sind geeignet und konzipiert für die Erfassung stationärer Objekte. Besteht darüber hinaus der Wunsch zur Orts- und Lagebestimmung von beweglichen Objekten, so stehen hierzu zwar LED-basierte Tracking-Systeme zur Verfügung, die insbesondere im Bereich der Virtual und Augmented Reality eingesetzt werden, jedoch sind derartige Systeme mit hohen Anschaffungskosten verbunden.

Aus der JP 04218788 A ist ein Berechnungsverfahren zu entnehmen, mit dem es möglich ist die Position bewegter Objekte zu ermitteln. Hierbei sendet das bewegte Objekt Ultraschallsignale ab, die von einem ruhenden Ultraschallwellenempfänger detektiert und ausgewertet werden. Zur Laufzeitmessung der zwischen dem bewegten Objekt und dem ruhenden Ultraschallwellenempfänger laufenden Ultraschallwellen werden elektromagnetische Triggerimpulse eingesetzt, die vom bewegten Objekt ausgesandt werden.

In der JP 05341031 A ist ein Positionserfassungssystem für bewegte Objekte beschrieben, bei dem am bewegten Objekt ein Ultraschallsender und an wenigstens zwei ruhenden Orten jeweils ein Ultraschallwellenempfänger vorgesehen sind. Mittels einer Signalauswerteeinheit kann die Ortsveränderung des bewegten Objektes ermittelt werden.

Der US 2002/0029128 A1 sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erfassung dreidimensionaler Koordinaten eines Objektes, bspw. eines Automobils entnehmbar. Das in der Druckschrift beschriebene Ausführungsbeispiel weist drei Empfängereinheiten auf, die mit einer Auswerteeinheit verbunden sind. Zur Vermessung eines Objektes dient ein Handsensor, an dessen beiden gegenüberliegenden Enden jeweils eine Sendeeinheit vorgesehen sind. Die Sendeeinheiten sind vorzugsweise als Funksender ausgeführt, können jedoch auch als akustische oder optische Sendeeinheiten ausgeführt werden. Durch Berühren des Objektes an unterschiedlichen Stellen soll mit Hilfe des Handsensors eine dreidimensionale Objekterfassung möglich sein.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur dreidimensionalen Objekterfassung relativ zu wenigstens einem vorgebbaren räumlichen Bezugspunkt derart weiterzubilden, dass möglichst kostengünstig, schnell und einfach dreidimensionale Objekte erfasst und zu weiteren Analysezwecken dargestellt werden sollen. Ein wesentlicher Gesichtspunkt betrifft die Schaffung einer Möglichkeit der einfachen Zuordnung der zu erfassenden Objekte zu semantischen Informationen, d.h. objektspezifischer Informationen, die es ermöglichen sollen, die Erfassung und Gewinnung der jeweiligen Objektrepräsentation zu erleichtern und zu verbessern.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 8 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur dreidimensionalen Objekterfassung. Die Ansprüche 12 bis 14 betreffen bevorzugte Verwendungsweisen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur dreidimensionalen Objekterfassung relativ zu wenigstens einem vorgebbaren, räumlichen Bezugspunkt sieht ein mobiles Sendegerät sowie ein an dem räumlichen Bezugspunkt positionierbares Empfangsgerät vor. Das Sendegerät weist einen Schallwellensender, eine Antenneneinheit zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen sowie eine Triggereinrichtung auf, die bei Berühren des Objektes mit dem Sendegerät ein Signal erzeugt, durch das der Schallwellensender und die Antenneneinheit zeitlich gekoppelt zur Abstrahlung von Schall- bzw. elektromagnetischen Wellen aktivierbar sind. Das Sendegerät verfügt zudem über ein Eingabemittel, über das eine Objektspezifische semantische Information eingebbar ist, die über die Antenneneinheit zum Empfangsgerät übermittelbar und in diesem auswertbar ist. Das Empfangsgerät sieht wenigstens drei, vorzugsweise vier, Mikrophone zum räumlich getrennten Schallwellennachweis sowie eine Empfangsantenne für den Empfang der elektromagnetischen Wellen und eine Auswerte- und Speichereinheit vor, die die erfassten Schallwellen zeit- und ortsaufgelöst zur Objekterfassung auswertet und abspeichert. Schließlich sind in der Auswerte- und Speichereinheit des Empfangsgerätes Objekt-spezifische semantische Referenzinformationen abgespeichert.

In einer bevorzugten Ausführungsform sieht das Sendegerät ein für den Handbetrieb ergonomisch ausgeformtes Gehäuse vor und weist eine Art Zeigestab mit einer Stabspitze auf, an der der Schallwellensender sowie die Antenneneinheit sowie auch die als Drucksensor ausgebildete Triggereinrichtung vorgesehen sind. Bei Berühren der Stabspitze mit einem zu vermessenden Objekt wird der Drucksensor ausgelöst und aktiviert zeitsynchron den Schallwellensender sowie die Antenneneinheit. Hierdurch treten vom Ort der Berührung am Objekt Schall- und elektromagnetische Wellen zeitsynchron aus, die von dem Empfangsgerät empfangen werden, das sich an einem räumlichen Bezugspunkt befindet. Das Empfangsgerät weist wenigstens drei, vorzugsweise vier Mikrofone, zum räumlich getrennten Schallwellennachweis sowie eine Empfangsantenne für den Empfang der elektromagnetischen Wellen auf. Darüber hinaus weist das Empfangsgerät eine Auswerte- und Speichereinheit vor, die die erfassten Schallwellen zeit- und ortsaufgelöst zur Objekterfassung auswertet und abspeichert.

Zur Ermittlung des Abstandes zwischen dem Ort der Berührung am Objekt und dem Empfangsgerät dient die Laufzeitmessung der von dem Berührungsort austretenden Schallwellen. Da sich elektromagnetische Wellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, dienen diese bei entsprechendem Empfang durch das Empfangsgerät als zeitauslösendes Ereignis, wodurch die Zeitdauer bis zum Eintreffen der sich mit lediglich Schallgeschwindigkeit ausbreitenden Schallwellen am Empfangsgerät mit Hilfe einer hochgenauen Zeitmessung erfassbar ist. Durch geeignete Wahl der räumlichen Verteilung der vorzugsweise vier Mikrofone am Empfangsgerät ist es möglich, aufgrund trigonometrischer Auswerteverfahren eine exakte Raumkoordinatenbestimmung des vermessenen Objektortes durchzuführen.

Durch entsprechende Wiederholung der vorstehend beschriebenen Messung an unterschiedlichen Berührungsorten am Objekt ist es zudem möglich, durch Zusammenschau aller erfassten vermessenen Objektkoordinaten das Objekt in seiner Gesamtheit zu erfassen und beispielsweise an einer im Empfangsgerät integrierten Monitoreinheit visuell darzustellen.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es überdies möglich, Objekte beliebiger Form und Ausgestaltung durch vielfaches Berühren der Objektoberfläche räumlich zu erfassen. In einem vorteilhaften Erfassungsmodus gestattet die Vorrichtung eine kontinuierliche Erfassung von räumlichen Freiformen, längs der die Stabspitze unter Berührung des Objektes bewegt wird. Durch gepulstes Aussenden elektromagnetischer Wellen mit Hilfe der Antenneneinheit ist eine nahezu exakte kontinuierliche Entfernungsmessung zwischen der längs einer Freiform sich bewegenden Stabspitze und der stationären Empfangseinheit durch die Laufzeitmessung der Schallwellen möglich.

Alternativ kann auch eine kontinuierlich abgestrahlte und sich in der Frequenz kontinuierlich ändernde Schallwelle eingesetzt werden. Hierbei kann auf die wiederholte Aussendung elektromagnetischer Wellen verzichtet werden, während sich die Stabspitze in Kontakt mit dem zu vermessenden Objekt befindet und längs dessen Oberflächenkontur geführt wird. Lediglich das sich zeitlich ändernde Schallwellenfrequenzmuster muss im Empfangsgerät bekannt sein, um die Schalllwellenlaufzeiten von den sich ändernden Abstrahlungsorten ermitteln zu können. Für den Beginn einer Messung ist lediglich ein einmaliges Aussenden von elektromagnetischen Wellen von der Antenneneinheit nötig, um den Messvorgang zu starten.

Die lösungsgemäße Vorrichtung sieht die Berücksichtigung sowie Eingabe einer oder mehrerer semantischer Informationen vor, durch die das Objekt näher beschrieben wird. Zur Eingabe der semantischen Informationen ist am Sendegerät ein Eingabemittel vorgesehen, das vorzugsweise als Wahlschalter oder in Form einzelner Bedienelemente mit fest zugeordneten Objekt-spezifischen semantischen Informationen ausgebildet ist. Auch ist es möglich, das Eingabemittel als eine manuelle oder akustisch ansteuerbare Peripherieeinheit auszubilden, über die fest vorgegebene sowie individuelle Objekt-spezifische semantische Informationen eingebbar sind.

Gilt es beispielsweise einen Innenraum räumlich zu erfassen, so wird dieser in der Regel von einer Decke, Wänden und einem Boden begrenzt. Vor Messdurchführung wird über das Eingabemittel bspw. die semantische Information „Wand" eingegeben, wodurch die Messvorrichtung in Kenntnis gesetzt wird, dass das zu vermessende Objekt eine Wand darstellen soll, die in der Regel aus einer ebenen Rechtecksfläche besteht. Die semantische Information wird dem Empfangsgerät über die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen mitgeteilt, die zu Zwecken der Informationsübertragung entsprechend moduliert werden. Die Informationsübertragung kann nach entsprechender Eingabe bzw. Wahl der vorgegebenen semantischen Information getrennt oder gemeinsam mit dem ersten Berührungsereignis mit dem zu vermessenden Objekt erfolgen.

Durch die nähere Objektbestimmung aufgrund der eingegebenen semantischen Information gestattet die erfindungsgemäße Messvorrichtung eine schnellere, vollständige Objekterfassung. So sind in der Auswerte- und Speichereinheit des Empfangsgerätes Objekt-spezifische Referenzinformationen abgespeichert, die nach entsprechender Auswahl in Abhängigkeit des zu vermessenden Objektes herangezogen und der weiteren Objekterfassung zugrunde gelegt werden.

Auch ist es möglich, dass durch die Vorgabe der semantischen Information eine Erfassungslogik für das aktuell zu vermessende Objekt ermittelt wird, anhand der das Objekt mit dem Sendegerät vermessen wird. Die Erfassungslogik betrifft in diesem Zusammenhang die Auswahl geeignet gelegener Messpunkte am Objekt selbst, die in Verbindung mit den im Empfangsgerät abgespeicherten Referenzinformationen eine schnelle und präzise räumliche Erfassung des Gesamtobjektes ermöglichen.

Die Vorgehensweise, mit der ein zwei- oder dreidimensionales Objekt mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfassbar ist, wird im einzelnen unter Bezugnahme auf das nachstehende Ausführungsbeispiel beschrieben. Grundsätzlich ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung die dreidimensionale Aufnahme und Darstellung von sogenannten Ist-Maßen von Objekten. Voraussetzung hierfür ist eine freie Sichtbedingung zwischen dem Empfangsgerät und dem Sendegerät. Durch die zusätzliche Möglichkeit der Verknüpfung des zu vermessenden Objektes mit Objekt spezifischen semantischen Informationen kann die Anzahl der zu bestimmenden Messpunkte, um letztlich das zu vermessende Objekt gesamtheitlich erfassen zu können, minimiert werden. Die Vorrichtung kann sowohl in geschlossenen Räumen als auch im Freien, d.h. ausserhalb von Gebäuden, eingesetzt werden und eignet sich insbesondere für die Objekterfassung im Nahbereich, zumal die Reichweite der Schallwellensender begrenzt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich überdies zu folgenden Verwendungen besonders geeignet einsetzen:
Auf dem Gebiet der Architektur sowie der Baubranche gilt es häufig Innenräume zu vermessen und entsprechend darzustellen. So sind bei Renovierungsarbeiten, Aus- und/oder Umbauten von Gebäuden zu Beginn jeweils vorzunehmender Maßnahmen der räumliche Istbestand zu erfassen. Oftmals reicht es nicht aus, auf vorhandene Baupläne zu vertrauen, da in der Praxis deutliche Abweichungen zwischen Gebäuden und Plänen zu beobachten sind. Bei älteren Gebäuden können möglicherweise nicht einmal auf derartige Baupläne zurückgegriffen werden. Durch die gezielte Nutzung semantischer Informationen gestattet die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Hilfe der Markierung und Vermessung sehr weniger Punkte unmittelbar dreidimensionale Abbildungen von Räumen zu erstellen. Die Semantik gestattet darüber hinaus die automatisierte Verbindung mit für den jeweiligen Objekttyp relevanten wirtschaftlich-technischen Zusatzinformationen, wie beispielsweise die Verfügbarkeit von erforderlichen Baumaterials oder die zu investierenden Materialkosten. Mit Hilfe des Tasters können darüber hinaus auch unregelmäßig geformte (zum Beispiel gekrümmte) Flächen approximiert werden (dies könnte evtl. wichtig sein, da dies nach meiner Beurteilung einen wesentlichen Unterschied zum System Welz darstellt).

Ein anderer Anwendungsfall betrifft die messtechnische Erfassung beispielsweise archäologischer Grabungsstätten, die typisch sind für nicht standardmäßig vorliegende Objekte. Die Funktionsweise bei der Objekterfassung ist dennoch ähnlich wie bei der Darstellung von Innenräumen. Aufgrund des unvollständigen Erhaltungszustandes der einzelnen Objekte kommt jedoch der Erfassung von sogenannten Freiformen größere Bedeutung zu. Eben derartige Freiformen können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch punktweises Abrastern der Objektoberfläche bzw. durch kontinuierliches Abfahren des Sendegerätes längs der Oberflächenkontur, gewonnen werden.

Auch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung und Vermessung von Unfallspuren, beispielsweise Bremsspuren nach Autounfällen eingesetzt werden, um einen Unfallhergang nachträglich rekonstruieren zu können. In diesem Fall kann mit Hilfe der Vorrichtung durch Verknüpfung zwischen Geometriedaten und Semantik unmittelbar eine Auswertung des Unfallgeschehens vorgenommen werden. Aus der Länge, dem Verlauf der Bremsspur, dem Autotyp und der Fahrbahnbeschaffenheit ließen sich beispielsweise die Ausgangsgeschwindigkeit des Unfall-verursachenden Fahrzeuges zu Beginn eines Bremsvorganges berechnen. Die hierfür erforderlichen Referenzinformationen sind in einer geeigneten Speichereinheit am Empfangsgerät abgespeichert.

Auch dient die erfindungsgemäße Vorrichtung der Planung und Einrichtung von Produktionshallen, die beispielsweise mit Maschinen zur Verfolgung eines bestimmten Produktionszieles einzurichten sind. Bei entsprechenden Änderungsplanungen von Produktionsanlagen ist es zunächst erforderlich, die Ist-Position der vorhandenen Geräte zu erfassen. In Verbindung mit semantischen Hintergrundinformationen über den jeweiligen Maschinentyp genügt die Markierung und Erfassung einiger weniger Punkte für die Ermittlung der Lage und der Orientierung einer Maschine. Die hieraus gewonnenen Informationen dienen der weiteren Einsatzplanung bzw. Positionsmodifikationen der entsprechenden Maschinen innerhalb der Produktionsanlage.

Der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbundene Hauptvorteil ist in der vereinfachten Datenerfassung zu sehen. Ein Anwender braucht mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung keine Objekte anzupeilen oder anzuleuchten, um beispielsweise einen Raum modellieren zu können, wie es bei der an sich bekannten Tachymetrie oder der Entfernungsmessung per Laser der Fall ist. Vielmehr reicht es aus, die relevanten, zu erfassenden Objekte mit dem Sendegerät und dem damit verbundenen Stab zu berühren. Auch gekrümmte Objektkonturen können mit der Vorrichtung schnell erfasst und zumindest approximativ dargestellt werden. Bei der Zuweisung der Objekt-spezifischen Semantik kann zudem bei Standard-Objekten auf eine umständliche Eingabe beispielsweise via Tastatur oder Note-Pad verzichtet werden, zumal ein einfacher Knopfdruck ausreicht.

Das portabel ausgebildete Sendegerät ermöglicht aufgrund seiner stabähnlich ausgebildeten Form und ergonomischen Ausbildung eine höchstgenaue Messaufnahme auch an Orten eines Objektes, die über Kopf sowie an anderen schwer erreichbaren Stellen für den Anwender liegen. Insbesondere ist es möglich, die aus einem Sende- und Empfangsgerät bestehende erfindungsgemäße Vorrichtung mit Standardkomponenten auszubilden und preiswert zu produzieren.

Kurze Beschreibung der Erfindung und Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Die einzige Figur zeigt in stark schematisierter Form ein Sendegerät 1 mit einem ergonomisch geformten Haltegriff 2, das darüber hinaus einen Stab 3 aufweist, an dessen Stabspitze 4 ein nicht im einzelnen dargestellter Drucksensor als Triggereinrichtung sowie Ultraschallwellensender als Schallwellensender sowie ein Funksender in Form einer Antenne angebracht sind. Als weitere Komponente sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Empfangsgerät 5 vor, das über vier Mikrofone 6 zur räumlich aufgelösten Detektion der von dem Ultraschallsender abgestrahlten Schallwellen dient. Darüber hinaus sieht das Empfangsgerät 5 eine Empfangsantenne (nicht dargestellt) vor, zur Detektion der von der Antenneneinheit an der Stabspitze 4 abgestrahlten elektromagnetischen Wellen. Ferner, ebenso nicht dargestellt, weist das Empfangsgerät 5 eine Auswerte- und Speichereinheit auf, durch die einerseits die empfangenen Schall- und elektromagnetischen Signale ausgewertet werden und die zum anderen eine Bibliothek bestehend aus Referenzinformationen vorsieht. In besonders vorteilhafter Weise sehen das Sendegerät 2 und/oder das Empfangsgerät 5 jeweils eine Display-Einheit vor, an der das zu vermessende Objekt repräsentierende Informationen dargestellt werden können.
Das der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugrunde liegende Messprinzip basiert auf der einfachen und schnellen Aufnahme einzelner Messpunkte, mit Hilfe des ergonomisch ausgebildeten Sendegerätes 2 unter Ausnutzung semantischer Informationen, die in Abhängigkeit des zu vermessenden Objektes gewählt werden. Vor der Erfassung der Geometrie eines zu vermessenden Objektes wird zunächst die Objektart durch das Drücken entsprechender, am Sendegerät 2 vorgesehener Druckknöpfe 7 vordefiniert. Handelt es sich beispielsweise um die Erfassung eines Heizkörpers, so kann auf der Grundlage der semantischen Information unter Hinzuziehung der im Empfangsgerät 5 abgespeicherten Referenzinformationen die Datenerfassung erheblich vereinfacht werden, da hierdurch bereits die Grundstrukturen und Grundeigenschaften des zu erfassenden Objektes, hier Heizkörper, vordefiniert sind. Nach Eingabe der Objektart im Wege der vorgegebenen semantischen Information am Sendegerät 2 wird diese dem Empfangsgerät 5 per Funk mitgeteilt. Anschließend wird das betreffende Objekt unter Zugrundelegung einer entsprechenden Erfassungslogik mit der Tastspitze 4 berührt. Durch den Berührungsdruck wird der Druckkontakt an der Stabspitze 4 betätigt und ein Ultraschallsignal ausgesendet. Zeitgleich meldet die Antenneneinheit an der Stabspitze dem Empfangsgerät 5 über ein Funksignal den Beginn der Messung. Das Funksignal breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus und setzt eine hochgenaue Uhr innerhalb des Empfangsgerätes 2 in Betrieb. Das Ultraschallsignal hingegen breitet sich nur mit Schallgeschwindigkeit aus, es wird demzufolge von den Mikrofonen 6 des Empfangsgerätes 5 zeitverzögert empfangen. Aus den räumlichen Abständen der Mikrofone 6 untereinander sowie der Laufzeitabweichung des Schallwellensignals lässt sich die Position des Druckkontaktes und somit der Ort der Berührung relativ zum Empfangsgerät 5 höchstgenau bestimmen. Aus den so ermittelten Punktwerten erzeugt die Auswerte- und Speichereinheit ein dreidimensionales Abbild des realen, zu vermessenden Objektes. In dem Empfangsgerät 5 ist zur Signalauswertung eine entsprechende Auswerte-Software vorgesehen, die unter Nutzung der Referenzinformationen das virtuelle Abbild des vermessenen Objektes ermittelt. Ein wesentlicher Gesichtspunkt während des Messvorganges stellt das Erfordernis dar, dass das Empfangsgerät 5 während der Vermessung eines Objektes oder Raumes nicht unkontrolliert bewegt werden darf, da das Empfangsgerät 5 den räumlichen Bezugspunkt bzw. Referenzpunkt während der Messung darstellt. Aus diesem Grunde sind alle für eine erfolgreiche Messdurchführung erforderlichen Bedientasten am tragbaren Sendegerät 2 integriert.
Sogenannte kontrollierte Bewegungen des Empfangsgerätes 5 sind hingegen durchaus erlaubt, solange sich auch weiterhin mindestens drei bekannte, zueinander nicht-parallele Objektebenen im „Sichtfeld" des Empfangsgerätes 5 befinden. Der Begriff „Sichtfeld" bezeichnet jene Raumhalbebene, in der das Empfangsgerät 5 die zu erfassenden Objekte von ein und dergleichen Seite aus betrachtet. Wird das Sichtfeld während der Messung durch entsprechende Bewegung des Empfangsgerätes geändert, so ist dem Empfangsgerät dieser Seitenwechsel mitzuteilen.
Ist das Empfangsgerät 5 während einer Messung bewegt worden, kann durch Abgleich bzw. Vermessung der alten und der neuen Objektdaten die neue Position des Empfangsgerätes bestimmt werden und eine weitere Erfassung von Rauminformationen kann planmäßig fortgesetzt werden. In der Praxis wird man die Bewegung des Empfangsgerätes möglichst vermeiden. Lediglich in Fällen, in denen nicht alle zu vermessenden Objekte innerhalb eines Raumbereiches von einem einzigen Bezugspunkt erfasst werden können, ist ein entsprechender Standortwechsel erforderlich.
Gilt es beispielsweise innerhalb eines Zimmers die Fläche der Decke zu erfassen, so reicht es auch, lediglich drei beliebige Punkte an der Decke zu vermessen, die eine Deckenebene bilden. Die Deckenebene wird mit den anderen, ein Zimmer einschließenden Wänden und der Bodenebene geschnitten, so dass daraus ein dreidimensionales Abbild des Zimmers erzeugt werden kann. Werden mehr als drei Punkte zur Bestimmung beispielsweise der Deckenebene verwendet, so lässt sich darüber hinaus ermitteln, ob die Decke tatsächlich horizontal oder vielleicht gegenüber der Horizontalen gekippt verläuft.
Auch ist es möglich, durch eine Aufnahme vieler einzelner Messpunkte, beispielsweise an einer zu vermessenden Wand, festzustellen, ob die Wand eben oder gekrümmt ist. Mit Hilfe geeigneter Interpolations-Algorithmen ist es möglich, die tatsächlichen Wandformen zu approximieren.
Gilt es beispielsweise eine Tür zu vermessen, so ließe sich die Türform durch Aufnahme der vier Eckpunkte der Türflügel bestimmen. Eventuell auftretende Messungenauigkeiten, die beispielsweise im Zentimeterbereich liegen, ließen sich über eine Rektangularisierung ausgleichen.
Beispielsweise die Vermessung von Wasser- und Elektroanschlüssen ließe sich dahingehend vereinfachen, indem lediglich der Mittelpunkt der Steckdose oder des Wasseranschlusses mit der entsprechenden Stabspitze des Sendegerätes berührt wird. Die Vorrichtung modelliert anschließend die Lage dieser Objekte mit Hilfe der in der Referenz-Bibliothek abgespeicherten Standard-Bauelemente.
Für die Vermessung von Grabungsstätten lassen sich zusätzliche Algorithmen zur Erfassung von unregelmäßigen Objektkonturen einsetzen und nutzen. So können beliebig geformte Linien einer Objektkontur dadurch erfasst werden, dass die entsprechende Kontur mit der Tastspitze des Sendegerätes bei gedrücktem Kontakt abgefahren wird. Wertet man das erzeugte Tonsignal in kurzen Abständen hintereinander aus, so erhält man eine Vielzahl aufeinander folgender Punkte, aus denen mit Hilfe bekannter Approximations- und Interpolationsverfahren eine Linie erzeugbar ist, die die Objektkontur in guter Näherung beschreibt. Die hier genannten Algorithmen eignen sich überdies auch für die Erfassung von Bremsspuren zur nachträglichen Untersuchung und Analyse von Autounfällen.

1: Sendegerät
2: Haltegriff
3: Stab
4: Stabspitze
5: Empfangsgerät
6: Mikrofone
7: Eingabemittel

Claims

Vorrichtung zur dreidimensionalen Objekterfassung relativ zu wenigstens einem vorgebbaren, räumlichen Bezugspunkt, mit einem mobilen Sendegerät (1) sowie einem an den räumlichen Bezugspunkt positionierbares Empfangsgerät (5) dadurch gekennzeichnet, – dass das Sendegerät (1) einen Schallwellensender, eine Antenneneinheit zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen sowie eine Triggereinrichtung aufweist, die bei Berühren des Objektes mit dem Sendegerät (1) ein Signal erzeugt, durch das der Schallwellensender und die Antenneneinheit zeitlich gekoppelt zur Abstrahlung von Schall- bzw. elektromagnetischen Wellen aktivierbar sind und dass das Sendegerät (1) über ein Eingabemittel (7) verfügt, über das eine Objekt-spezifische semantische Information eingebbar ist, die über die Antenneneinheit zum Empfangsgerät (5) übermittelbar und in diesem auswertbar ist, – dass das Empfangsgerät (5) wenigstens drei, vorzugsweise vier, Mikrophone (6) zum räumlich getrennten Schallwellennachweis sowie eine Empfangsantenne für den Empfang der elektromagnetischen Wellen aufweist und eine Auswerte- und Speichereinheit vorsieht, die die erfassten Schallwellen zeit- und ortsaufgelöst zur Objekterfassung auswertet und abspeichert und dass in der Auswerte- und Speichereinheit des Empfangsgerätes (5) Objekt-spezifische semantische Referenzinformationen abgespeichert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwellensender ein Ultraschallwellensender ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Triggereinrichtung ein taktiler Drucksensor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwellensender, sowie die Triggereinrichtung an einer Messspitze (4) des Sendegerätes (1) angebracht sind, mit der das Objekt berührbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingabemittel (7) als Wahlschalter oder in Form einzelner Bedienelemente mit fest zugeordneten Objekt-spezifischen semantischen Informationen ausgebildet sind, oder als eine manuell oder akustisch ansteuerbare Peripherieeinheit ausgebildet ist, über die fest vorgegebene sowie individuelle Objekt-spezifische semantische Informationen eingebbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Triggereinrichtung bei Berühren des Objektes mit dem Sendegerät (1) ein Signal erzeugt, durch das der Schallwellensender und die Antenneneinheit zeitsynchron zur Abstrahlung von Schall- bzw. elektromagnetischen Wellen aktivierbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendegerät (1) ein ergonomisch geformtes Gehäuse mit einem stabförmigen Fortsatz vorsieht, an dessen Stabspitze die Triggereinheit und der Schallwellensender vorgesehen sind.
Verfahren zur dreidimensionalen Objekterfassung relativ zu wenigstens einem vorgebbaren räumlichen Bezugspunkt, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Klassifizieren des zu erfassenden Objektes nach einer Objekt-spezifischen semantischen Information, – Berühren des zu erfassenden Objektes mit einem Sendegerät (1), das am Ort der Berührung Schallwellen und elektromagnetische Wellen aussendet, die von einem am Bezugspunkt positionierten Empfangsgerät (5) empfangen werden, wobei die elektromagnetischen Wellen die Objekt-spezifische semantische Information übermitteln, – Ermitteln von Abstand und räumlicher Relativlage zwischen dem Ort der Berührung und dem Empfangsgerät (5), – Abspeichern des ermittelten Abstandes und der Relativlage in einer Auswerte- und Speichereinheit und – wiederholtes Berühren des zu erfassenden Objektes mit dem Sendegerät (1) nach einer durch die Objekt-spezifische semantische Information vorgebbaren Erfassungslogik bis die dreidimensionale Objekterfassung vollständig erfasst ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsmessung zwischen dem Empfangsgerät (5) und dem Ort der Berührung durch eine Laufzeitmessung der von dem Sendegerät (1) abgestrahlten Schallwellen erfolgt bis zum Eintreffen am Empfangsgerät (5), und dass als die Laufzeitmessung auslösendes Zeitsignal der Empfang der elektromagnetischen Wellen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Relativlage zwischen dem Ort der Berührung und dem Empfangsgerät (5) durch Auswerten der am Empfangsgerät (5) registrierten Schallwellen mit Hilfe mehrerer Mikrophone (6) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage von in der Auswerte- und Speichereinheit abgespeicherten Objekt-spezifischen Referenzinformationen die Erfassungslogik generiert wird, gemäß der das Objekt mit dem Sendegerät (1) berührt wird.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, zur Vermessung und räumlichen Erfassung von – Gebäuden, – Innenräumen von Gebäuden aller Art mit oder ohne Einrichtungsgegenstände aller Art, – archäologische Grabungsstätten, – Autounfallspuren.
Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch logische Verknüpfung der erfassten Objekte nach ihren semantischen Informationen mit Sekundärinformationen kalkulatorische Berechnungen durchführbar sind.
Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärinformationen Kosten, Verfügbarkeit, Beschaffenheit einzelner Objekte sind.