CN106537187B - 跟踪方法和跟踪*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在一个内部空间中确定移动测量站6相对于基站5的位置55的跟踪方法。跟踪***1包括基站5和移动测量站6。相对于基站5确定测量站6的位置。基站5使具有至少一个光束40的束组围绕基站5的至少一个轴线29在根据规定过程变化的发射方向41上旋转或转动以便在内部空间的壁3上产生由光点8构成的移动图案。移动测量站6的相机17在相同的视向18下拍摄内部空间壁3的一系列的图像9，在该系列图像中移动的光点8之一在至少三个不同的像点P1、P2、P3处成像。确定所述至少三个不同像点P1、P2、P3的图像坐标x1,y1；x2,y2；x3,y3。基于拍摄相应图像9的时刻确定光束40的至少三个发射方向41，所述光束的光点8在某一时刻在图像9之一上在所述至少三个不同像点P1、P2、P3之一处成像。基于存储于参考数据库52中的、沿从基站5起始的测量方向41到壁3的距离测量确定基站5的轴线29沿所述至少三个发射方向41到壁3的至少三个距离d1、d2、d3。基于所述至少三个像点P1、P2、P3的图像坐标x1,y1；x2,y2；x3,y3、与像点P1、P2、P3对应的发射方向41和基站5沿对应的发射方向41到壁3的相应距离d1、d2、d3确定移动测量站6的位置55。

Description

跟踪方法和跟踪***

技术领域

本发明涉及一种用于在内部空间中确定位置的跟踪方法。

发明内容

根据本发明的跟踪方法在内部空间中确定移动测量站相对于基站的位置。跟踪***包括基站和移动测量站。相对于基站确定测量站的位置。基站使具有至少一个光束的束组围绕基站的至少一个轴线在根据规定过程变化的发射方向上旋转或转动以便在内部空间的壁上产生由光点构成的移动图案。移动测量站的相机在相同的视向下拍摄内部空间壁的一系列图像，在该系列图像中移动的光点之一在至少三个不同的像点处成像。确定所述至少三个不同像点的图像坐标。基于拍摄相应图像的时刻确定光束的至少三个发射方向，所述光束的光点在某一时刻在图像之一上在所述至少三个不同像点之一处成像。基于存储于参考数据库中的、沿从基站起始的测量方向到壁的距离测量数据确定基站轴线沿所述至少三个发射方向到壁的至少三个距离。基于所述至少三个像点的图像坐标、与像点对应的发射方向和基站沿对应的发射方向到壁的相应距离确定移动测量站的位置。

所述束组可仅具有一个光束或多个相互隔开恒定角距的光束。“系列”可包括一个或多个图像，它们以相同视向为特征。在一系列不同图像中，一个光束的光点相应地可成像于不同像点上或不同光束的光点可成像于不同像点上。

沿测量方向的距离测量优选借助光学距离测量单元的测量光束进行。跟踪方法可包括与跟踪阶段分开的初始化阶段。在初始化阶段中所述至少一个测量光束围绕所述至少一个轴线在根据规定过程变化的测量方向上旋转或转动。基于测量光束的越渡时间和/或干涉测量来测量轴线沿测量方向到壁的相应距离。测量方向和对应测得的距离可存储在参考数据库中。在跟踪阶段中借助参考数据库中与发射方向一致的测量方向或借助所存储距离的平均值确定沿光束发射方向的距离，所述平均值根据所存储的测量方向与发射方向的相应的差进行加权。

一种方案规定，在初始化阶段中测量光束以第一角速度旋转或转动，并且在跟踪阶段中光束的束组以第二角速度旋转或转动，并且第二角速度大于第一角速度。

一种方案规定，所述具有至少一个光束的束组旋转或转动的过程与测量光束旋转或转动的过程相同。

一种方案规定，所述束组仅围绕一个轴线旋转或转动，并且所述束组具有至少两个光束，它们在包含轴线的平面中以一个角度相互倾斜。基站使束组围绕一个例如竖直的轴线运动并且通过运动和时刻实现水平分辨率。竖直分辨率则通过光束的不同仰角获得。竖直分辨率通过光束数量限定并且显著低于由时间测量限定的在水平面中的分辨率。但常见的内部空间结构沿竖直方向的变化相对少于沿水平方向的变化。

一种方案规定，所述图像中的第一图像拍摄于第一时刻，并且所述图像中的第二图像拍摄于不同于第一时刻的第二时刻。第一时刻可进行适应性调整，以便使移动图案的光点之一在图像的一个边缘的像点处成像，并且第二时刻进行适应性调整，以便使移动图案的光点之一在图像的另一边缘上的像点处成像。

附图说明

下面参考示例性实施方式和附图说明本发明。在附图中：

图1为跟踪***；

图2为跟踪***的标记器；

图3为移动测量站；

图4为由测量站拍摄的图像；

图5、图6为基站；

图7为与图4中图像相配的、具有跟踪***的内部空间；

图8为两个重叠的系列图像；

图9为具有跟踪***的内部空间；

图10为关于图9的内部空间的三个重叠的系列图像；

图11、图12为基站；

图13为移动测量站。

具体实施方式

如未另作说明，相同或功能相同的元件在附图中通过相同附图标记表示。

跟踪***1可用于测量点2在壁3上的位置。一种应用规定，通过显示器4告知用户点2的空间坐标。所述位置例如可关于跟踪***1的基站5的位置或关于一个事先在壁3上标记的点2给出。另一种应用规定，将关于在壁3上标记的点2的位置在建筑图纸中注明。接着将建筑图纸关于标记点2直接投影于壁上3。壁3表示建筑物的所有内表面、尤其是在天花板和地板，并且也包括封闭内部空间的可动元件、如门、窗等。

图1的示例性跟踪***1包括：固定基站5、移动测量站6和标记器7。用户可借助标记器7在壁3上标记任意的点2。移动测量站6在某一时刻记录标记点2关于固定基站5投影于壁3上的移动光点8的相对位置。固定基站5确定在该时刻光点8在壁3上占据的绝对位置，由此可确定标记点2在基站5坐标系中的绝对位置。

所述示例性的跟踪***1可确定移动测量站6在内部空间中相对于基站5的位置。移动测量站6为此在短的时间间隔内在一个图像9中记录在壁3上的三个或更多个不同位置上的移动光点8。检测移动光点8的时刻用于由基站5查询光点8在壁3上的相应位置的坐标。基于图像9对这些位置的三角测量获得移动测量站6的位置。

标记器7例如可以是具有手柄11的板10，用户用身体将手柄保持在壁3上。板10具有一个小的视孔12，用户将该视孔定位到壁3上的点2上。在板10上设有光学位置标记13。该位置标记13例如可通过以图案形式设置的多个发光二极管构成。此外，标记器7可具有一个显示器4和多个操作元件14、如按键。用户可通过操作元件14要求确定标记器7的位置。当前位置在显示器4中示出。此外，当前位置可确定为基站坐标系15的原点，由此可简单地测量在壁3上两个点2之间的距离。

一种替代的标记器基于手持式光指示器、例如激光指示器。用户以光指示器指向待确定的点。这种标记器的位置标记由此是由光指示器在壁上产生的光标。这种标记器也可设有显示器和操作元件。

移动测量站6可架设在室内的支架16上(图3)。该位置优选不同于基站5的位置(图1)。移动测量站6包括相机17，该相机在视向18上拍摄壁3的图像9。视向18同轴于相机17的光轴。相机17的视域19确定对于跟踪***1可见的壁区段20，在该壁区段中由跟踪***1检测标记器7的位置标记13。光点8必须经过壁区段20。光点8可周期性地进入和离开相机17的视域19。用户以已知方式通过相机17的镜头21和相机17至壁3的距离22影响视域19的大小并且因此影响可见的壁区段20。在支架16上通常可安装大致水平定向的相机17。代替固定的位置，相机17可由用户携带、例如固定在头盔上。在此情况下，由于完全不知道移动测量站6及其相机17的定向，需要更多测量信息，以便确定在壁3上和内部空间中的位置。下面所描述的跟踪方法有时需要壁区段20的多个图像9。视向18、即壁区段20对于连续的图像9而言必须相同。由于图像9可在几分之一秒内连续拍摄，因此手持的或固定在头盔上的测量站6的一般运动是没有问题的。

如果用户正确架设移动测量站6，则光点8至少暂时位于相机17的视域19中。如由基站5的描述还可知，通常光点8大多位于视域19之外、但周期地并在同一位置上进入视域。相机17连续拍摄壁区段20的图像9。相机17具有触发器23，该触发器确定图像9的拍摄时刻。触发器23可通过测量站6的内部固定的时钟发生器24例如每10ms拍摄一个图像。操作触发器23或者说拍摄图像9的时刻是固定的或在后来以适当方式确定。触发器23也可设有控制装置，其估算光点8下一次出现在视域19中的时刻并且在该时刻触发。另一种实施方式规定，触发器23通过无线接口25由基站5远程触发。

光点8在一些图像9中成像于像点P上(图4)。图像分析单元26确定光点8是否成像于图像9中。光点8的特征在于其与周围相比高的亮度值、其特殊颜色和与壁区段20中的常见结构相比小的尺寸。图像分析单元26例如使用滤色镜去除非特定颜色、使用反差滤光镜去除照亮程度大致相同的表面。将过滤后的图像9的像点与阈值相比较。超过阈值的像点P与光点8关联。无光点8的图像9及相关数据可丢弃。

图像分析单元26可在具有光点8的图像9中确定像点P的图像坐标x1、y1。图像坐标例如通过像点P在通常光栅化的图像9中的行与列表示。光栅例如相应于CCD芯片27的光敏元件的网格阵列。图像坐标x1、y1的更高分辨率可通过分析相邻像点的强度分布实现。

像点P和图像坐标x1、y1说明(拍摄)方向28，相机17在某一时刻在该方向下看到光点8。图像坐标x1、y1的确定参考在相机坐标系中或者说在移动测量站6的坐标系中的光点8。

图像分析单元26识别图像9中标记器7的位置标记13。优选发光的位置标记13可基于其颜色、形状等在图像9中通过相应滤镜被突出。确定位置标记13的图像坐标。基于位置标记13的已知布置可确定视孔12和因此借助视孔12标记的点2的图像坐标x0、y0。作为替代方案，例如在通过光指示器指出标记点2时可直接确定标记点2的图像坐标x0、y0。

图像分析单元26可在移动测量站6中实施。所述实施可通过由微处理器执行的程序实现。

基站5架设在固定位置上。示例性基站5在图5中以侧视图并在图6中以俯视图示出。基站5定义用于跟踪***1的坐标系，该坐标系在下面称为基站坐标系15。基站坐标系15可借助原始坐标系、如建筑图纸校准。例如由用户测量并且手动输入该位置。替选地，用户可将标记器7保持在壁3上的参考点上，该参考点可由跟踪***1测量并被确定为基站坐标系15的原点。其它校准方法也是可能的。下面为了更简单的说明，将基站坐标系15原点设置在固定基站5的位置上。基站坐标系15的轴线29是竖直的、即平行于重力，并且基站坐标系15的零方向30在水平面中指向一个已知方位、如北方。基站坐标在下面被描述为球面坐标，其包括一个水平角度方向31、一个竖直角度方向32和到原点、即基站5位置的距离。

基站5具有支架33。所述支架33用于稳定地架设基站5。所示的三脚支架33尤其适合用于简单架设在不平坦地面上。仅具有一个支柱或多于三个脚的其它结构方式也可能是适合的。

基站5在支架33上具有旋转头34，该旋转头可围绕一个轴线29或两个轴线旋转或转动。旋转头34的定向在一个可移动的轴线29的情况下通过一个角度来描述或者在两个可移动的轴线的情况下通过两个角度来描述。出于测量技术原因适宜的是，所述角度分别在垂直于轴线的平面中相对于零方向30来确定。示例性示出的旋转头34是转盘，该转盘仅可围绕竖直轴线29旋转。所述定向具有一个等于零的固定仰角b和一个变化的水平角a。示例性旋转头34在一个旋转方向上围绕轴线29旋转。在其它实施方式中或在调节基站5时，旋转头34也可围绕轴线29在两个极限角度之间、如以90度角周期性地来回转动。

受控制的驱动装置35使旋转头34旋转或者说转动。驱动装置35例如包括电动机和传动机构。旋转头34具有编码器36，该编码器确定旋转头34在基站坐标系15中的定向。在单轴旋转头34中编码器36检测一个角度，在双轴旋转头中编码器36检测两个角度，以便确定所述定向。编码器36可实现为不同结构方式、如角度传感器、磁增量旋转编码器、光学扫描多孔圆盘、具有周期性重复刻度的电感采样环37等。编码器的另一示例基于转速调节的电动机和计时器，该计时器由转速和时间计算角度。编码器36借助零方向30进行校准。编码器36的校准可通过旋转头34的每个回转来重复，例如在转盘34上为零方向30设置特殊标记38。

基站5具有光束源39。该光束源39产生发散较少的准直光束40。光束源39优选是激光源、如激光二极管。光束40在壁3上绘出光点8。光点8足够小，例如具有小于3mm的直径，以便确保足够的空间分辨率。光点8的形状通常是圆形或椭圆形。借助适合的光学器具、如衍射光栅可为光束40的横截面并且因而光点8赋予其它形状、如菱形、十字形或环形。优选光点8是不可见的红外线。

光束40的发射方向41由旋转头34确定。为了简化几何结构，光束40被描述为从轴线29发出的。发射方向41由两个角度确定，其(不局限于此)在下面通过水平角a和仰角b表示。可运动的旋转头34也使得光束40运动，由此至少一个所述角度a、b以规定方式变化。发射方向41通过驱动装置35以规定方式变化和重复。优选发射方向41也以一个固定的重复率重复，该重复率例如通过转盘的恒定角速度规定。

在一种实施方式中，光束源39设置在旋转头34上(图1)。此外，光束40可在光学元件42、如光导体中被导向。光学元件42的出口通过旋转头34运动。另一种实施方式(图5、6)在旋转头34上设有分束器42、反射镜或类似的用于偏转光束40的光学元件42。位于支架33上的光束源39将光束40耦入分束器42中。示例性分束器42沿倾斜于轴线29的发射方向41发出光束40。光束40的仰角b是恒定的。在旋转头34围绕轴线29旋转时，光束40也围绕轴线29旋转，光束40的水平角a以与旋转头34相同的角速度变化。旋转的光束40描绘出一个锥体。光点8在平坦的壁3上沿抛物线运动，该抛物线通过与锥体相交产生。光束40的发射方向41和旋转头34的定向虽然相差仰角b，但由于由基站5规定仰角不变，因而可单义地由旋转头34的定向计算出发射方向41，并且反之亦然。光束40的发射方向41和旋转头34的定向在下面同义地使用。在双轴旋转头中，所述定向也与发射方向41同义。

基站5还包括距离测量单元43，其沿测量方向44确定基站5到壁3的距离d。距离测量单元43例如基于对测量光束45的越渡时间测量和干涉测量组合，该测量光束沿测量方向44发出并且其从测量方向44的反射被接收。距离测量单元43可具有自身的光源、如激光二极管。测量光束45的调制例如可通过激光二极管的电源电流施加。距离测量单元43可利用光束源39的光束40并且例如借助电光或声光调制器向光束施加用于越渡时间测量和干涉测量的频率和/或幅度调制。光电检测器记录拍频信号，其导致反射的测量光束45与参考光束的干涉。距离测量单元43由拍频信号确定测量光束45所经过的绝对路径长度、即距离d。为了获得足够的测量精度，测量约需0.1秒。所描述的距离测量单元43对于其它光学距离测量单元是示例性的。

测量方向44由旋转头34的定向规定。测量光束45例如耦入旋转头34上的分束器42中。作为替代方案，距离测量单元43可设置在旋转头34上。测量方向44在旋转头34旋转或转动时变化。在示例性转盘中可为水平角a互不相同的测量方向44确定基站5的距离d。测量方向44在本示例中相对于竖直轴线29以固定的仰角b倾斜。仰角b例如由分束器42规定。测量方向44在旋转头34旋转时描绘出一个锥体。基于在测量方向44和旋转头34定向之间唯一的几何关系在下面两者同义地使用。

在所示的实施方式中，光束40和测量光束45单独地产生。发射方向41和测量方向44在此例如可通过小的平行偏移相区别。这种由结构引起的区别是已知的并且可在计算角度和距离时被补偿。光束40和测量光束45例如也可在水平面中沿明显互不相同的空间方向、例如沿相反的方向发出(未示出)。旋转头34可为了补偿而旋转到另一定向中，使得光束40的发射方向41与沿之前定向的测量方向44重合或平行。这适用于基站5可具有的任何测量方向44。同样地，之前的定向和后续定向的所有配对是已知的并被存储。一种控制方法例如可在距离测量时将测量方向44的定向根据所述配对校正到光束40的相配定向上。在另一种实施方法中测量光束45不设有单独的光束源39。光束40被耦入距离测量单元43中。距离测量单元43可仅用于距离测量或持续地调制光束40，以便使所述光束用作测量光束45。光束40和测量光束45在此情况下是同轴的。由于最终可通过适合的措施实现或模拟光束40和测量光束45的同轴设置，因此在下面发射方向41和测量方向44被视为重合的。

基站5在室内任意架设。光束40或光点8应经过壁区段20，在该壁区段中应跟踪标记器7。在此尤其是应注意由室内其它物体引起可能的遮挡。基站5向壁3上发射持续运动的光点8。光束40的运动过程通过旋转头34和驱动装置35预规定。在转盘和驱动装置35转速固定的优选实施方式中，水平角a以固定速率变化并且在旋转一周之后重复。由光点8在壁3上绘出的线与壁3的形状和定向有关。

光束40的运动和图像9的拍摄由配置单元46同步，使得可为在某一时刻拍摄的图像9确定相配的光束40发射方向41。

一种简单的配置单元46基于光束40的恒定角速度和在移动测量站6中的时钟发生器24。基站5使转盘以恒定角速度旋转。当转盘的零标记38经过编码器36时、即光束40指向零方向30时，基站5通过无线电模块47发出同步信号。移动测量站6的计数器48通过同步信号复位。时钟发生器24触发相机17的触发器23并且使计数器48增量。发射方向41的水平角a由此由角速度和从最近的同步信号起通过计数器48测得的时间间隔的乘积得出。

一种示例性的配置单元46使用中央时钟发生器49，其在连续的时刻向编码器36和相机17发送触发信号。触发信号的传输优选基于无线电进行。编码器36响应于触发信号确定旋转头34的定向或者说光束40的发射方向41。发射方向41被传输给配置单元46。配置单元46的第一移位寄存器50、如FIFO(先进先出)存储发射方向41。相机17响应于触发信号触发图像9之一的拍摄。触发信号的速率规定了图像9的拍摄速率。时钟发生器49可设置在基站5、移动测量站6或一个单独的控制单元中。图像9存储于第二移位寄存器51中，其具有与第一移位寄存器50相同的长度。图像分析单元26也可代替图像9在第二移位寄存器51中存储成像光点8的图像坐标x1、y1。发射方向41和图像9位于两个移位寄存器50、51的相同索引的存储位置上。索引代表图像9的拍摄时刻。配置单元46根据要求例如输出最早索引的发射方向41和图像坐标x1、y1并且随后将该索引删除。分开的移位寄存器补偿了图像9的存储和分析通常比编码器36的读取所需的更长时间。由此也可在之前的图像9分析结束之前拍摄图像9。配置单元46在发射方向41的变化的角速度时也可应用。

配置单元46也可事件控制地工作。例如移动测量站6仅在关于当前发射方向41存在沿相配测量方向44的距离d测量时才拍摄图像9。在初始化阶段中在多个离散的测量方向44上进行距离测量。所确定的距离d和相配的测量方向44存储于参考数据库52中。在跟踪阶段中编码器36连续测量旋转头34的定向。配置单元46比较当前发射方向41与存储于参考数据库52中的测量方向44。在一致时，配置单元46触发一个触发信号，相机17的触发器23响应于该触发信号拍摄一个图像9。当前发射方向41或测量方向44和距离d可存入第一移位寄存器50中。图像分析单元26确定光点8的坐标x1、y1并且将其写入第二移位寄存器中。

下面描述一种初步的跟踪阶段，其借助前述移动测量站6和基站5确定由标记器7在壁3上标记的点2的位置53。在该跟踪方法中假设壁是平坦且竖直的。用户水平定向测量站6的相机17，即相机17的视向18位于水平面中。此外，标记点2位于相机17的视域19之内，即出现在相机17的每个图像9中。基站5与移动测量站6间隔开地架设在室内。

基站5使转盘以恒定角速度旋转。测量站6以例如10ms的节拍连续拍摄图像9。计数器计算所拍摄图像9的数量并在基站5发出对应于光束40零方向30的同步信号时复位。当图像分析单元26在当前图像9中识别成像到像点P上的光点8时，记录计数器值。该计数器值由此相应于拍摄图像9的时刻t。

图像分析单元26确定光点8在图像9中成像的像点P的图像坐标x1、y1。图像分析单元26在同一图像9中也确定标记点2成像的像点S及其图像坐标x0、y0。也可在单独的图像9中确定相关标记点2的图像坐标x0、y0，在此两个图像9必须在同一视向18中拍摄。图像分析单元26确定在图像9中成像光点8的像点P和标记点2的像点S之间的距离r(例如r＝||x1-x0,y1-y0||)。如果距离r低于阈值，即像点P、S很近并且因此真实的光点很靠近壁3上的标记点2，则选择该图像9用于进一步处理。否则丢弃该图像9，重新拍摄图像9，直至在图像9中距离r低于阈值。在竖直的壁3并且光束40仅围绕竖直轴线29旋转的情况下，对于阈值而言仅像点P、S的水平距离d＝x1-x0是重要的。

计数器值或作为计数器值与节拍乘积的时间间隔t被传输到基站5。基站5的配置单元46基于固定角速度由时刻t计算出旋转头34关于零方向30的定向、即水平角a。将通过旋转头34的定向规定的光束40发射方向41配置给成像的光点8。

配置单元46确定基站5沿发射方向41到壁3的距离d。配置单元46访问参考数据库52，在该参考数据库中为多个测量方向44存储基站5与壁3的距离d。参考数据库52优选在初始化阶段中直接在架设基站5之后被填充相应距离测量。配置单元46在参考数据库52中例如搜索与发射方向41具有最小偏差的测量方向44并且取用其相配的距离d。作为替代方案，可选择与发射方向41相邻的测量方向44(图7)。发射方向41的距离d由相邻测量方向44的距离d1、d2插值求出。在假设壁3是平坦且竖直时，具有不同水平角a的两个测量方向44已为发射方向41上的距离d提供足够高的精度。测量方向44可处于移动测量站6的视域19之外。

光点8在基站坐标系15中的坐标通过距离d以及由水平角a和在本示例性结构中固定的仰角b形成的发射方向41唯一地确定。由于光点8至少关于水平角a靠近标记点2，因此光点8的距离d和至少水平角a被用于标记点2。标记点2的仰角b可在壁3竖直时基于竖直图像坐标y1、水平角a、距离d和光束40的固定仰角b无须附加测量地计算出。所确定的标记点2坐标有利地以建筑行业中常见的笛卡尔坐标显示给用户。

下面说明一种在壁3上的标记点2的有利跟踪阶段，其已在初步跟踪阶段的内容中描述过的类似方法步骤缩略地示出。壁仍假设为竖直的且基本平坦的。基站5使光束40以恒定角速度围绕轴线29旋转。移动测量站6例如通过同步信号与光束40的回转同步。

相机17拍摄在壁3上的两个不同位置上的光点8。相机17的视向18在此保持不变。相机17例如可以短的曝光时间拍摄多个图像9。曝光时间例如在1ms的范围内，以便利用与漫射环境光相比高度局部化且明亮的光点8获得良好的信噪比。触发器23为每个图像9记录拍摄该图像9的时刻。图像分析单元26在这些图像9中搜寻第一图像9，在该第一图像中光点8成像于第一像点P1上。该图像9的拍摄时刻t1配置于像点P1。图像分析单元26在图像9中搜寻第二图像9，在该第二图像中光点8成像于第二像点P2上。第二像点P2应区别于第一像点P1。否则图像分析单元26搜寻另一适合的第二图像9。第二图像9的拍摄时刻t2配置于第二像点P2。通过相机17拍摄图像9并搜寻具有光点8的图像9可依次或同时进行。图8以一个视图示出重叠的第一图像9和第二图像9。

相机17也可拍摄图像9，直至图像分析单元26在图像9中识别在第一像点P1处成像的光点8。相机17在短的时间间隔内第二次曝光图像9，由此，光点8成像于第二像点上。该时间间隔相应于旋转头34循环时间的极小部分，由此光点8保持在相机17的视域19内。相机17也可使用大致相应于上述时间间隔的曝光时间。光点8在图像9中绘出一条短线，其端点相应于前述像点P1、P2。第二时刻t2在此配置给曝光时间的终点。

图像分析单元26确定第一像点P1的图像坐标x1、y1和第二像点P2的图像坐标x2、y2。此外确定标记点2在图像9中成像的像点S的图像坐标x0、y0。可确定标记点2关于成像光点8的相对位置r(rx、ry)(例如rx＝x0-x1/x2-x1)。在壁3大致平坦时像点P1、P2与像点S在图像9中的相对位置等于光点8关于标记点2在壁3上的相对位置。

配置单元46确定在这两个时刻t1、t2光束40的发射方向41和沿发射方向41到壁3的距离d、即在时刻t1、t2光点8在基站坐标系15中的绝对位置。借助光点8的绝对位置可将标记点2的相对位置换算成绝对位置。将计算出的位置显示给用户。

移动测量站6优选事件控制地拍摄图像9。移动测量站6这样优化图像9的拍摄，使得在第一时刻t1光点8成像于图像9的左边缘上并且在第二时刻t2光点8成像于右边缘上。相机17一开始在任意时刻拍摄图像9，直至光点8在第一图像9中成像。确定该图像9的时刻t0。基站5在已知的旋转头34循环时间T内再次将光束40定向到相同的发射方向41上。移动测量站6在确定时刻t0之后以略小于循环间距T的时间间隔拍摄后续图像9。下一成像的光点8在图像9中朝向右边缘或左边缘移动。时刻t0可多次迭代地调整，直至光点8出现在与图像边缘希望的距离中，例如与边缘的距离小于20％图像宽度。拍摄第一图像9并且确定相配的时刻t1。所拍摄的光点8可移至另一图像边缘上，其方式为：在第一时刻t1后以大于循环时间T的时间间隔拍摄图像。该时刻多次迭代地调整，直至光点8与另一图像边缘隔开希望距离地成像。拍摄第二图像9并且确定相配的时刻t2。配置单元46于是基于时刻t1、t2——在这些时刻光点8成像于图像9左边缘或右边缘的像点P1、P2上——确定相应的发射方向41，光点8于时刻t1、t2沿所述发射方向41从基站5投影到壁3上。

优选在初始化阶段中测量沿特定测量方向44的距离d并将它们存储于参考数据库52中。初始化阶段例如在基站5架设到新位置上之后立即进行。此外，初始化阶段可定期重复或由用户手动引起。

在初始化阶段中旋转头34优选以与在跟踪阶段中相同的过程旋转或转动。示例性旋转头34仅仅并且完全围绕竖直轴线29旋转。但旋转头34比在跟踪阶段中运动得要慢。

旋转头34的定向例如以0.5度至2度的步进逐步变化。旋转头34可在每个步进后停住。距离测量单元43在离散的、通过旋转头34的定向产生的测量方向44上测量到壁3的距离d。作为替代方案旋转头34缓慢运动，例如其角速度小于每秒10度。距离测量单元43以规定的时间间隔、即在离散的测量方向44上测量到壁3的距离d。在两种方案中优选由编码器36确定所述定向。配置单元46关于定向确定测量方向44并且将其与测得的距离d一起存储在参考数据库52中。由于距离测量十分费时，因此优选每个定向仅进行一次距离测量。初始化阶段例如在光束40围绕轴线29旋转一周之后结束。

初始化阶段中的角速度小于0.2Hz。光学测距仪的测量持续时间对于2m至50m范围内的距离在技术上是有限的。跟踪***1在初始化阶段之后切换到跟踪阶段中。旋转头34的角速度显著提高。在跟踪阶段中旋转头34以高于10Hz的速度围绕其轴线29旋转。在手持移动测量站6时尤其需要高的角速度。

初始化阶段可定期重复。为此可中断跟踪阶段。

另一种方法规定，用户或移动测量站6专门请求关于某一测量方向44的距离测量。基站5为此切换到初始化阶段中。旋转头34旋转并且当到达该测量方向44时编码器36发出触发信号。沿测量方向44发出用于距离测量的测量光束45。测得的距离d存储在参考数据库52中。用于这种单次测量的成本相对高。首先旋转头34必须减速到较低的角速度上并且等待直至光学***稳定下来。此外到达特定测量方向44要比借助编码器36测量当前测量方向44的值更加复杂。

也可完全省却初始化阶段。例如可将内部空间的建筑图纸存储在数据库54中。用户将基站5定位于一个位置上并且定向基站5的零方向30。该位置和零方向30被输入基站5中。配置单元46在建筑图纸中测量沿发射方向41的距离并且将它们存储在用于跟踪阶段的参考数据库52中。初始化阶段仅在当前建筑图纸中并在该建筑图纸与实际内部空间充分一致时工作。

一种跟踪阶段规定，确定移动测量站6在内部空间的绝对位置55。该绝对位置通过从基站5到移动测量站6的矢量55说明。该跟踪阶段基于检测在壁3上的至少三个不同位置2上的光点8，但在移动测量站6的同一视向18下进行。为了简化说明，下面的说明涉及平坦的竖直壁。但跟踪方法不局限于此，壁可任意倾斜于竖直方向。

示例性基站5使转盘34以恒定角速度围绕竖直轴线29旋转。光束40的发射方向41以恒定重复率变化。水平角a以该角速度变化，仰角b保持不变。

移动测量站6例如在支架16上水平定向地设置。相机17在相同的视向18中在三个不同像点P1、P2、P3上、即在三个不同拍摄方向28上检测到光点8。包括三个图像9的系列图像在图10中以一个图像9重叠地示出。各图像9也可通过多次曝光拍摄于一个图像中，即该系列仅为一个图像。“系列”的特征在于视向18不变并且光点8成像；系列并非必须多于一个图像9。

移动测量站6优选事件控制地触发图像9拍摄，以便在视域19上检测尽可能相互远离分布的、由光点8成像的三个像点P1、P2、P3。移动测量站6例如可迭代地调整在连续拍摄图像9之间的时间间隔，直至光点8成像在图像9的相对置边缘上的像点P1、P3上以及成像在靠近图像9中点的像点P2上。图像9的拍摄还可限制于发射方向41与存储于参考数据库52中的测量方向44一致的时刻。相应的触发信号可由基站5发出。这在壁例如基于突出的安装件、如盥洗盆而不平时尤为有利。

移动测量站6确定光点8在三个像点P1、P2、P3上成像的相应时刻t1、t2、t3。配置单元46确定在这三个时刻t1、t2、t3的发射方向41。在所示示例中关于连续像点P1、P2、P3的发射方向41具有增加的水平角a1、a2、a3。此外，配置单元46例如通过访问参考数据库52确定基站5沿相应发射方向41到壁3的距离d1、d2、d3。在壁3上的光点8关于基站5的坐标K1(a1,d1)；K2(a2,d2)；K3(a3,d3)现在是已知的并且唯一地配置给像点P1(x1,y1)；P2(x2,y2)；P3(x3,y3)。相机17或移动测量站6关于基站5的相对位置、即矢量55可唯一地——至少对于水平面——确定。矢量55例如可基于三角关系计算出。

相机17位置的确定基于下述考虑。两个光点8在壁3上的距离d转换为相配像点P1、P2的定义距离d。该定义距离d取决于两个参数：相机17到壁3的距离22和朝向壁3的视向18。因此两对光点8足以确定这两个参数、即距离22和视向18。两对光点可共享一个光点8。如果相机17不必水平定向，则需要第四光点8用于第三对光点8，以便确定相机17的垂直定向。四个光点8在此不应位于一条线上。

图11示出一种扩展的基站56。该基站56具有前述基站5的所有特征、尤其是在图5和图11中设有相同附图标记的元件。

旋转头34优选仅可围绕竖直轴线29旋转或转动。

基站56向不同发射方向41、58发出具有两个光束40、57的束组。发射方向41、58优选以仰角b、c相区别。替选地，两个光束40、57可以平行并且沿竖直轴线29间隔开超过20cm。第一光束40在壁3上产生第一光点8并且第二光束57在壁3上产生第二光点59。第一光点8沿竖直方向与第二光点59错开。两个光束40、57优选由相同的光束源39产生。分束器60将一个光束分为两个光束40、57。

基站56也产生两个测量光束45、61。第一测量光束45发射向测量方向44并且从该方向被接收，其优选与第一光束40的发射方向41相同。光束40的发射方向41和测量光束45的测量方向44可偏移恒定角度、如水平角a。旋转头可旋转该角度，以便也可向每个测量方向44发射光束40。发射方向41和测量方向44可具有小的偏移量，只要相关的测量误差可以容忍。第二测量光束61和第二光束57的关系与第一测量光束45和第一光束40相同。第二测量方向62优选具有仰角c。沿第一测量方向44的距离d通常与沿第二测量方向62的距离e不同。

基站56可具有可切换的封闭件64，其优选设置在分束器60下游。可切换的封闭件64可独立地阻挡第一测量光束45和第二测量光束61。示例性封闭件64可具有可机械转动的活板。一种优选实施方式使用基于液晶显示器的、可单独变暗的玻璃片。可切换的封闭件64能实现借助唯一的距离测量单元43进行距离测量。在距离测量时通过转换脉冲仅使玻璃片之一变为透明的，以便仅发出一个测量光束45并且阻挡另一或其它测量光束61。在初始化阶段中进行距离测量。旋转头34以较低的角速度使测量光束45、61围绕竖直轴线29旋转。在旋转第一周时例如阻挡上方的测量光束61并且在旋转第二周时阻挡下方的测量光束45。当经过零方向30时由编码器36产生同步信号，封闭件64例如可变换透光的玻璃片。

封闭件64也可用于暂时阻挡一个或多个光束40、57。在跟踪方法中一开始优选所有玻璃片是透明的、即所有光束40、57被发射到壁3上并且产生相互错开的多个光点8、59。在检测图像9中的光点8、59时，移动测量站6可要求阻挡一个或多个光束40、57，以便确定与成像光点8相配的光束40。例如可在旋转头34的正好一个循环时间之后拍摄另一图像9并且检验光点8是否还成像于该图像9中。被阻挡光束40的光点8在所述另一图像9中不再可见。

所显示的基站56具有正好两个光束40、57和两个测量光束45、61。光束40、57和测量光束45、61的数量相同，但不局限于两个，最多为八个光束40且具有不同的仰角b、c。分束器60提供一种简单的变型方案，以便借助一个光束源39和一个距离测量单元43产生光束40和测量光束45，但作为替代方案也可使用多个光束源和多个距离测量单元。

图12示出一种扩展方案的基站65。该基站65具有前述基站5的所有特征、尤其是图5和图11中设有相同附图标记的元件。基站65也可与基站56组合。

旋转头34优选可仅围绕竖直轴线29旋转或转动。

基站65可同时向不同发射方向41、67发出具有两个光束40、66的束组，所述发射方向至少以水平角a相区别。发射方向41、67的角度差da是恒定的，因此可在已知第一发射方向41时唯一地确定第二发射方向67，并且反之亦然。基站65由此在壁3上产生第一光点8和沿水平方向与此偏移的第二光点68。优选这样选择角度差da，使得在以常见方式架设基站65和移动测量站6时两个光点8、68同时成像于图像9中。角度差da优选位于视域19的水平角的50％和80％之间的范围中。

基站65具有第一测量光束45，其沿第一测量方向44被发射并且优选从该方向被接收。第一测量方向44配置给第一发射方向41，两者优选共线。发射方向41和测量方向44也可错开恒定角度，旋转头34可运动该角度，以便向每个测量方向44发射光束40。

当两个发射方向41、67具有相同的仰角b时，可省却第二测量光束69。旋转头34简单地旋转角度差da，以便沿配置给第二发射方向67的测量方向63进行距离测量。在使用两个或多个测量光束45、69时，设置可切换的封闭件64。可切换的封闭件64仅允许一个测量光束45通过并且阻挡其它测量光束69。通过控制脉冲可选择哪个测量光束45、69通过。

在跟踪阶段中移动测量站6已经可在某一时刻检测在不同像点P1、P2上的两个光点8、68。一开始相机17大多仅在图像中成像两个光点8之一。后续图像可在小于循环时间T的时间间隔内拍摄。光点8由此在图像中移动至一个图像边缘。如果第二光点68在第一光点8离开图像之前还未出现，则将时间间隔提高到大于循环时间T的值上。第一光点8移动至另一边缘，第二光点68现在应出现在图像中。图像9拍摄于时刻t，同时第一光点8成像于第一像点P1上并且第二光点68成像于第二像点P2上。

发射方向41、67的分配基于拍摄图像9的唯一时刻t进行。配置单元46在时刻t为第一光束40确定相配的发射方向41、如水平角a1。第二光束66的第二发射方向67通过将已知且恒定的角度差da与第一发射方向41相加、如a2＝a1+da计算得出。

配置单元46通过读取参考数据库52确定与第一发射方向41或第二发射方向67相配的距离d1、d2。

分析单元70随后确定基站56到移动测量站6的矢量55。

移动测量站71可具有投影仪72。移动测量站71具有前述移动测量站6的所有特征、尤其是图3中所示的元件。移动测量站71根据前述跟踪方法之一确定其位置55和视向18。

投影仪72是不可与相机17拆开的单元。因此投影仪72关于相机17的位置和投影方向73是已知的。优选投影方向73和视向18相互平行。投影仪72将建筑图纸投影于壁3上。移动测量站71通过其无线接口25与存储有建筑图纸的数据库74通信。移动测量站71传输其位置55和视向18。数据库计算为投影方向73待显示的局部和建筑图纸的旋转并且将建筑图纸的图像数据传输到移动测量站71。建筑图纸例如可显示在壁3中的哪些位置上设有管道、锚栓、缺口等。用户可将投影的建筑图纸与实际壁3相比较。

Claims (12)

1.用于在一个内部空间中确定移动测量站(6；71)相对于基站(5；56)的位置(55)的跟踪方法：

－使具有至少一个光束(40)的束组围绕基站(5；56)的至少一个轴线(29)在根据规定过程变化的发射方向(41)上重复旋转或转动以便在内部空间的壁(3)上产生由光点(8)构成的移动图案；

－移动测量站(6；71)的相机(17)在相同的视向(18)下拍摄内部空间的壁(3)的一系列图像(9)，在该系列图像中移动的光点(8)之一在至少三个不同的像点(P1、P2、P3)处成像；

－确定所述至少三个不同的像点(P1、P2、P3)的图像坐标(x1，y1；x2，y2；x3，y3)；

－基于拍摄相应图像(9)的时刻确定以下光束(40)的至少三个发射方向(41)，所述光束的光点(8)在某一时刻在图像(9)之一中在所述至少三个不同的像点(P1、P2、P3)之一处成像；

－基于存储于参考数据库(52)中的、沿从基站(5；56)起始的测量方向(44)到壁(3)的距离测量确定基站(5；56)的轴线(29)沿所述至少三个发射方向(41)到壁(3)的至少三个距离(d1、d2、d3)；

－基于所述至少三个像点(P1、P2、P3)的图像坐标(x1，y1；x2，y2；x3，y3)、与像点(P1、P2、P3)对应的发射方向(41)和基站(5；56)沿对应的发射方向(41)到壁(3)的相应距离(d1、d2、d3)确定移动测量站(6；71)的位置(55)。

2.根据权利要求1所述的跟踪方法，其特征在于，

－在初始化阶段期间，至少一个测量光束(45)围绕至少一个轴线(29)在根据规定过程变化的测量方向(44)上旋转或转动；基于测量光束(45)的越渡时间和/或干涉测量来测量轴线(29)沿测量方向(44)到壁(3)的相应距离(d)并且在参考数据库(52)中存储测量方向(44)和对应测得的距离(d)；

－在跟踪阶段期间，借助在参考数据库(52)中与发射方向(41)一致的测量方向(44)或借助所存储距离(d)的平均值确定沿光束(40)发射方向(41)的距离(d)，所述平均值根据所存储的测量方向(44)与发射方向(41)的相应的差进行加权。

3.根据权利要求2所述的跟踪方法，其特征在于，在初始化阶段期间，所述测量光束(45)以第一角速度旋转或转动，并且在跟踪阶段期间，光束(40)的束组以第二角速度旋转或转动，其中，第二角速度大于第一角速度。

4.根据权利要求2或3所述的跟踪方法，其特征在于，所述具有至少一个光束(40)的束组旋转或转动的过程与测量光束(45)旋转或转动的过程一致。

5.根据权利要求1或2所述的跟踪方法，其特征在于，所述束组围绕正好一个轴线(29)旋转或转动，并且所述束组具有至少两个光束(40、57)，它们在包含轴线(29)的平面中以一个角度(c)相互倾斜。

6.根据权利要求1或2所述的跟踪方法，其特征在于，所述束组具有正好一个光束(40)。

7.根据权利要求1或2所述的跟踪方法，其特征在于，所述图像(9)中的第一图像拍摄于第一时刻，并且所述图像(9)中的第二图像拍摄于不同于第一时刻的第二时刻。

8.根据权利要求7所述的跟踪方法，其特征在于，对所述第一时刻进行适应性调整，以便使移动图案的光点(8)之一在图像(9)的一个边缘上的像点(P1)处成像，并且对所述第二时刻进行适应性调整，以便使移动图案的光点(8)之一在图像(9)的另一边缘上的像点(P3)处成像。

9.根据权利要求1或2所述的跟踪方法，其特征在于，所述移动测量站(6；71)将建筑图纸的图像(9)投影于壁(3)上，所述移动测量站(6；71)将其视向(18)和位置(55)传输给包括建筑图纸的数据库(54)并且该数据库(54)计算建筑图纸的对应的图像局部并将其传输给移动测量站(6；71)。

10.用于在一个内部空间中确定移动测量站(6；71)相对于基站(5；56)的位置(55)的跟踪***(1)，所述跟踪***包括基站(5；56)和移动测量站(6；71)，

－所述基站具有支架(33)、在支架(33)上能围绕至少一个轴线(29)旋转或转动地支承的旋转头(34)、光束源(39)、驱动装置(35)和编码器(36)，所述光束源将光束(40)的束组沿与旋转头(34)的定向相关的发射方向(41)发射到壁(3)上以便在壁(3)上产生光点(8)的图案，所述驱动装置连续改变旋转头(34)的定向以便使光点(8)的图案在壁(3)上运动，所述编码器确定旋转头(34)在某一时刻所占据的定向，

－所述测量站(6；71)具有触发器(23)和相机(17)，所述相机由触发器(23)控制地在一个视向(18)的情况下在某些时刻拍摄壁(3)的一系列图像(9)，

－图像分析单元(26)，其确定在图像(9)中在一个像点(S)处成像的标记点(2)的图像坐标和在像点(P1、P2)处成像的光点(8)的图像坐标，

－参考数据库(52)，在该参考数据库中存储沿由基站(5；56)起始的测量方向(44)到壁(3)的距离测量数据，

－配置单元(46)，其基于拍摄相应图像(9)的时刻为像点(P1、P2)配置光束(66)的相应发射方向并且基于存储于参考数据库(52)中的、沿由基站(5；56)起始的测量方向(44)到壁(3)的距离测量数据为所述像点配置基站(5；56)的轴线(29)沿发射方向(41)到壁(3)的距离(d1、d2)；

－分析单元(70)，其基于至少三个像点(P1、P2、P3)的图像坐标(x1，y1；x2，y2；x3，y3)、与像点(P1、P2、P3)对应的发射方向(41)和基站(5；56)的轴线(29)沿对应的发射方向(41)到壁(3)的相应距离(d1、d2、d3)确定移动测量站(6；71)的位置(55)。

11.根据权利要求10所述的跟踪***(1)，其特征在于，所述基站包括距离测量单元(43)，该距离测量单元发射出用于确定沿测量方向(44)轴线(29)到壁(3)的距离的测量光束(45)，并且发射方向(41)与旋转头(34)的定向相关。

12.根据权利要求10或11所述的跟踪***(1)，其特征在于，所述旋转头(34)仅围绕一个竖直轴线(29)旋转，分束器(60)产生包括多个具有不同仰角(b)的光束(40)的束组。