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EP-4063901-B1 - DEVICE FOR MEASURING AN ENVIRONMENT

EP4063901B1EP 4063901 B1EP4063901 B1EP 4063901B1EP-4063901-B1

Inventors

  • RIEGER, PETER

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20210325

Claims (16)

  1. An apparatus for surveying an environment (2) moving relative thereto by time-of-flight measurement of laser pulses (5 k,n ) reflected from the environment in a coordinate system (11), comprising a first scanning unit (6 1 ) for transmitting a first pulse train (4 1 ) of laser pulses (5 1,n ) by means of a first laser transmitter (12 1 ) in a first transmission direction (ϑ 1 ) to a first deflection device (14) over successive deflection periods (AP 1,p ) at a pulse repetition rate (PRR), wherein the laser pulses (5 1,n ) which respectively fall within one deflection period (AP 1,p ) are transmitted in first scanning directions (R 1,n ) fanned out about a first scanning axis (7 1 ) and thus respectively form, for each deflection period (AP 1,p ), a first scanning fan (8 1 ), which they pass through with a predeterminable angular velocity profile (ω), and for receiving the corresponding laser pulses (5 1,n ) reflected from first scan points (P 1,n ) of the environment (2), at least one further scanning unit (6 k ) for transmitting a further pulse train (4 k ) of laser pulses (5 k,n ) by means of a further laser transmitter (12 k ) in a further transmission direction (ϑ k ) to a further deflection device (14) over successive deflection periods (AP k,p ) at the same pulse repetition rate (PRR), wherein the laser pulses (5 k,n ) which respectively fall within one deflection period (AP k,p ) are transmitted in further scanning directions (R k,n ) fanned out about a further scanning axis (7 k ) and thus respectively form, for each deflection period (AP k,p ), a further scanning fan (8 k ), which they pass through with the same predeterminable angular velocity profile (ω), and for receiving the corresponding laser pulses (5 k,n ) reflected from further scan points (P k,n ) of the environment (2), wherein all scanning fans (8 k ), seen in the direction of one of the scanning axes (7 k ), substantially overlap, characterised by a control device (29) connected to the at least one further scanning unit (6 k ) and configured to pivot the scanning fans (8 k ) of each further scanning unit (6 k ) with respect to the scanning fans (8 k-1 ) of a scanning unit (6 k-1 ) that is respectively adjacent in a predetermined sequence of the scanning units (6 k ), by a pivot angle (λ k,k-1 ) depending on the pulse repetition rate (PRR) and the angular velocity profile (ω), in such a way that the further scan points (P k,n ) do not coincide with the first scan points (P 1,n ).
  2. The apparatus according to claim 1, characterised in that it is mounted on a vehicle (3) configured for a main direction of movement (F), preferably on an aircraft, with each of its scanning axes (7 k ) being non-normal to the main direction of movement (F).
  3. The apparatus according to any one of claims 1 or 2, characterised in that the control device (29) is configured to predetermine the angular velocity profile (ω) depending on at least one past distance measurement value (d k,n ) of the environment (2).
  4. The apparatus according to any one of claims 1 to 3, characterised in that all scanning axes (7 k ) coincide.
  5. The apparatus according to claim 4, characterised in that the control device (29) is configured to pivot the scanning fans (8 k ) of each further scanning unit (6 k ) with respect to the scanning fans (8 k-1 ) of a scanning unit (6 k-1 ) that is respectively adjacent in a predetermined sequence of the scanning units (6 k ), in such a way that the scanning directions (R k,n ) of the scanning fans (8 k ), when they occupy substantially the same plane (23) in the coordinate system (11), are arranged about the scanning axes (7 k ) at regular angular intervals (Δφ r ).
  6. The apparatus according to claim 4 or 5, characterised in that the pivot angle (λ k,k-1 ) between the scanning fans (8 k , 8 k-1 ) of each two scanning units (6 k , 6 k-1 ) adjacent to one another in the sequence, when the scanning fans (8 k , 8 k-1 ) occupy substantially the same plane (23) in the coordinate system (11), increased by the angular difference (Δφ 21 , Δφ 32 ) between the scanning directions (R k,1 , R k-1,1 ) first-passed through in each of these two scanning fans (8 k , 8 k-1 ), corresponds to the angle (Δφ) between two scanning directions (R k,n , R k,n+1 ) successively passed through in a scanning fan (8 k ), divided by the number (K) of all scanning units (6 k ), optionally increased by a multiple of this angle (Δφ).
  7. The apparatus according to any one of claims 1 to 6, characterised in that the control device (29) is configured to pivot the scanning fans (8 k ) of said at least one further scanning unit (6 k ) by controlling a time offset (V 21 , V 32 ) when transmitting its pulse train (4 k ) of laser pulses (5 k,n ).
  8. The apparatus according to any one of claims 1 to 7, characterised in that the control device (29) is configured to pivot the scanning fans (8 k ) of said at least one further scanning unit (6 k ) by controlling optical elements in the beam path of its laser pulses (5 k,n ).
  9. The apparatus according to any one of claims 1 to 8, characterised in that the deflection device (14) of each scanning unit (6 k ) comprises a mirror prism (16 k ) rotatable about its prism axis (15 k ), the lateral sides of which mirror prism each form a mirror face (17 j ), and the prism axis (15 k ) of which mirror prism is the scanning axis (7 k ).
  10. The apparatus according to claim 9, characterised in that the deflection devices (14) of all scanning units (6 k ) are formed by one and the same deflection device (14).
  11. The apparatus according to claim 9 or 10, in each case in conjunction with claim 4, characterised in that the pivot angle (λ k,k-1 ) between the scanning fans (8 k , 8 k-1 ) of each two scanning units (6 k , 6 k-1 ) adjacent to one another in the sequence is chosen as λ k , k − 1 = ω K ⋅ PRR + i ⋅ ω PRR − 2 ⋅ ϑ k − ϑ k − 1 + ω ⋅ D k , k − 1 ν mod 360 ° ⋅ 2 J mod ω PRR with K number of scanning fans (8 k ), λ k,k-1 pivot angle of the k-th scanning fan (8 k ) with respect to the (k-1)-th scanning fan (8 k-1 ) (k = 1 ... K), ω average angular velocity of the angular velocity profile, PRR pulse repetition rate, i an integer, ϑ k transmission direction of the k-th laser transmitter (12 k ), D k,k-1 distance between the k-th and (k-1)-th scanning fans (8 k ) along the prism axis (15 k ), v relative speed between apparatus (1) and environment (2), J number of mirror faces and mod modulo operator.
  12. The apparatus according to any one of claims 9 to 11, characterised in that the laser transmitter (12 k ) further comprises an adjustable deflection mirror (13 k ) arranged in the beam path of the laser pulses (5 k,n ), and the control device (29) is configured to pivot the scanning fans (8 k ) of said at least one further scanning unit (6 k ) by adjusting the deflection mirror (13 k ).
  13. The apparatus according to any one of claims 9 to 12, characterised in that the laser transmitter (12 k ) is arranged adjustably relative to the deflection device (14), and the control device (29) is configured to pivot the scanning fans (8 k ) of said at least one further scanning unit (6 k ) by adjusting the arrangement of the corresponding laser transmitter (12 k ).
  14. The apparatus according to any one of claims 9 to 13, characterised in that the control device (29) is configured to pivot the scanning fans (8 k ) of said at least one further scanning unit (6 k ) by controlling the phase shift (φ k ) of the rotational movement of the mirror prism (16 k ).
  15. The apparatus according to any one of claims 1 to 14, characterised in that all scanning fans (8 k ) originate from the same point (22 1,2,3 ).
  16. The apparatus according to any one of claims 1 to 15, in each case in conjunction with claim 4, characterised in that the pivot angle (λ k,k-1 ) between the scanning fans (8 k , 8 k-1 ) of each two scanning units (6 k , 6 k-1 ) adjacent to one another in the sequence is chosen as λ k , k − 1 = ω K ⋅ PRR + i ⋅ ω PRR − R k , 1 , p − R k − 1 , 1 , p ′ mod ω PRR with K number of scanning fans (8 k ), λ k,k-1 pivot angle of the k-th scanning fan (8 k ) with respect to the (k-1)-th scanning fan (8 k-1 ) (k = 1 ... K), ω average angular velocity of the angular velocity profile, PRR pulse repetition rate, i an integer, R k,1,p first-passed through scanning direction of the k-th scanning unit (6 k ) in a reference deflection period (AP k,p ), R k-1,1,p' first-passed through scanning direction of the (k-1)-th scanning unit (6 k-1 ) in that deflection period (AP k-1,p' ) in which its scanning fan (8 k-1 ) occupies substantially the same plane (23) in the coordinate system (11) as the scanning fan (8 k ) of the k-th scanning unit (6 k ) in the reference deflection period (AP k,p ), and mod modulo operator.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermessung einer dazu relativbewegten Umgebung durch Laufzeitmessung von an der Umgebung reflektierten Laserimpulsen in einem Koordinatensystem, umfassend eine erste Scaneinheit zum Aussenden eines ersten Impulszuges von Laserimpulsen mittels eines ersten Lasersenders in einer ersten Senderichtung auf eine erste Ablenkeinrichtung über aufeinanderfolgende Ablenkperioden mit einer Impulswiederholrate, wobei die jeweils in eine Ablenkperiode fallenden Laserimpulse in um eine erste Scanachse aufgefächerte erste Scanrichtungen ausgesandt werden und so pro Ablenkperiode jeweils einen ersten Scanfächer bilden, den sie mit einem vorgebbaren Winkelgeschwindigkeitsprofil abschreiten, und zum Empfangen der zugehörigen, von ersten Abtastpunkten der Umgebung reflektierten Laserimpulse. Vorrichtungen dieser Art sind z.B. in der EP 3 182 159 B1 beschrieben und werden beispielsweise von einem Flugzeug oder Schiff mitgeführt, um Umgebungen wie den Erdboden oder Meeresgrund topographisch zu vermessen. Es ist auch möglich, eine solche Vorrichtung auf einem Landfahrzeug zu montieren, um z.B. Hausfassaden, Straßenschluchten oder Tunnel im Vorbeifahren zu vermessen. Die Vorrichtung kann auch stationär aufgestellt werden, beispielsweise in einem Tag- oder Untertagbergwerk, um dessen Abbau zu vermessen, über einem Förderband, um darauf bewegte Objekte zu vermessen, usw. Von der Scaneinheit werden dabei Laserimpulse unter verschiedensten Scanrichtungen auf viele Zielpunkte ("Abtastpunkte") in der Umgebung ausgesandt, und aus Laufzeitmessungen der Zielreflexionen werden die Zielentfernungen und daraus - in Kenntnis der Lage der Scaneinheit und der jeweiligen Scanrichtung - ein Punktemodell ("3D-Punktwolke") der Umgebung erstellt. Bei mobilen, fahrzeuggestützten Vorrichtungen wird dabei der von den Scanrichtungen der Laserimpulse einer Ablenkperiode aufgespannte Scanfächer durch die Fortbewegung des Fahrzeugs über die Umgebung geführt. Bei stationären Vorrichtungen wird der Scanfächer z.B. mittels einer Drehung der Scaneinheit rundum geschwenkt, um die Umgebung abzutasten. Ebenso kann die zu vermessende Umgebung gegenüber dem Scanfächer relativbewegt werden, z.B. zur Vermessung von Gegenständen auf Förderbändern. Dabei ist eine möglichst rasche und örtlich hoch auflösende Erstellung der 3D-Punktwolke wünschenswert. Der Auflösung der Punktwolke sind jedoch Grenzen gesetzt. So kann z.B. die Impulswiederholrate, welche die Anzahl der Abtastpunkte und damit die Auflösung der 3D-Punktwolke wesentlich beeinflusst, nicht beliebig erhöht werden: Bei hoher Impulswiederholrate oder größerer Zielentfernung wird beispielsweise schon der nächste Laserimpuls ausgesandt, noch bevor der reflektierte erste Sendeimpuls empfangen wird, sodass die eintreffenden Empfangsimpulse nicht mehr eindeutig ihrem jeweiligen Sendeimpuls zugeordnet werden können. Dies ist als "multiple time around"-(MTA-) -Problem bekannt. Die maximale Größe dmax eines eindeutig vermessbaren Entfernungsbereiches, einer sog. MTA-Zone, ergibt sich dabei aus der Impulswiederholrate (pulse repetition rate) PRR und der Lichtgeschwindigkeit c zu dmax = c/(2·PRR). Zusätzlich treten an den Rändern jeder MTA-Zone konstruktionsbedingt sogenannte "blind ranges" auf, weil die Empfangselektronik durch Nahreflexionen eines ausgesandten Laserimpulses an z.B. Gehäuse- oder Montageteilen der Vorrichtung gesättigt bzw. überlastet und damit "blind" für den Empfang eines reflektierten Laserimpulses ist. Möglichst große MTA-Zonen sind daher erstrebenswert, um die Anzahl der "blind ranges" über den gesamten zu vermessenden Entfernungsbereich zu minimieren. Dies begrenzt aber wiederum die Impulswiederholrate und folglich die Anzahl von Abtastpunkten und damit Auflösung der 3D-Punktwolke. Eine bloße Erhöhung der Abtastpunkte in der 3D-Punktwolke, wie in der DE 10 2004 050 682 A1 durch Verwenden mehrerer Scaneinheiten erreicht, erhöht aber noch nicht notwendigerweise auch deren Ortsauflösung. So könnten z.B. manche Zielpunkte mehrfach abgetastet werden, d.h. sich lokale Cluster von Abtastpunkten bilden, und andere Bereiche der Umgebung zu wenig Abtastpunkte enthalten, sodass die gewünschte Auflösung der 3D-Punktwolke nicht über die gesamte Umgebung vorliegt. Eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Abtastpunkte über die Umgebung ist daher wesentlich, um eine hochwertige 3D-Punktwolke zu erzielen. Die Erfindung setzt sich zum Ziel, eine Vorrichtung zum Laserscannen zu schaffen, welche eine besonders rasche und aussagekräftige Erstellung einer 3D-Punktwolke der Umgebung ermöglicht. Dieses Ziel wird mit einer Vorrichtung der einleitend genannten Art erreicht, umfassend zumindest eine weitere Scaneinheit zum Aussenden eines weiteren Impulszuges von Laserimpulsen mittels eines weiteren Lasersenders in einer weiteren Senderichtung auf eine weitere Ablenkeinrichtung über aufeinanderfolgende Ablenkperioden mit derselben Impulswiederholrate, wobei die jeweil