三維激光掃描設(shè)備以及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種三維激光掃描設(shè)備以及方法，該設(shè)備包括：二維激光掃描儀，用于對(duì)待測(cè)對(duì)象進(jìn)行二維掃描并提供所述待測(cè)對(duì)象的掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)；轉(zhuǎn)臺(tái)，用于進(jìn)行回轉(zhuǎn)操作并提供回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)；固定結(jié)構(gòu)，用于將所述二維激光掃描儀固定在所述轉(zhuǎn)臺(tái)上；以及控制器，用于控制所述二維激光掃描儀和所述轉(zhuǎn)臺(tái)的操作并接收所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)和回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)；所述控制器還用于根據(jù)所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)和回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)獲得所述待測(cè)對(duì)象的三維點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)。本發(fā)明能夠進(jìn)行上下方向的線掃描，還可以進(jìn)行左右方向的面掃描，從而實(shí)現(xiàn)三維面掃描功能，并且由于二維激光掃描儀的使用，大大降低了成本花費(fèi)，性價(jià)比很高。
【專利說(shuō)明】
三維激光掃描設(shè)備以及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種三維激光掃描設(shè)備以及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光測(cè)距是以激光器作為光源進(jìn)行測(cè)距，根據(jù)激光工作的方式分為連續(xù)激光器和 脈沖激光器。氦氖、氬離子、氪鎘等氣體激光器工作于連續(xù)輸出狀態(tài)，用于相位式激光測(cè)距； 雙異質(zhì)砷化鎵半導(dǎo)體激光器，用于紅外測(cè)距;紅寶石、釹玻璃等固體激光器，用于脈沖式激 光測(cè)距。激光測(cè)距儀由于激光的單色性好、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，加上電子線路半導(dǎo)體化集成 化，與光電測(cè)距儀相比，不僅可以日夜作業(yè)、而且能提高測(cè)距精度，顯著減少重量和功耗，使 測(cè)量到人造地球衛(wèi)星、月球等遠(yuǎn)目標(biāo)的距離變成現(xiàn)實(shí)。
[0003] 激光測(cè)距分為一維激光測(cè)距儀、二維激光掃描儀、三維激光掃描儀。其中，一維激 光測(cè)距儀，每次只能打一個(gè)點(diǎn)，只能測(cè)量出一個(gè)點(diǎn)位的距離。二維激光掃描儀，每次可以掃 描多個(gè)點(diǎn)，多個(gè)點(diǎn)可以擬合為一條輪廓線，屬于線掃描。三維激光掃描儀可以實(shí)現(xiàn)三維面掃 描功能。但是現(xiàn)有技術(shù)中的三維激光掃描儀成本很高，例如一般一臺(tái)室外型測(cè)量距離150以 上的三維激光掃描儀價(jià)格都在100萬(wàn)以上，很難普及。低成本、高性能的三維激光掃描儀亟 待研發(fā)解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中缺少一種低成本、高性能的三維激光掃描儀的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明 提供了一種三維激光掃描設(shè)備，該設(shè)備包括:二維激光掃描儀，用于對(duì)待測(cè)對(duì)象進(jìn)行二維掃 描并提供所述待測(cè)對(duì)象的掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù);轉(zhuǎn)臺(tái)，用于進(jìn)行回轉(zhuǎn)操作并提供回轉(zhuǎn)角度數(shù) 據(jù)；固定結(jié)構(gòu)，用于將所述二維激光掃描儀固定在所述轉(zhuǎn)臺(tái)上；以及控制器，用于控制所述 二維激光掃描儀和所述轉(zhuǎn)臺(tái)的操作并接收所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)和回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù);所述控 制器還用于根據(jù)所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)和回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)獲得所述待測(cè)對(duì)象的三維點(diǎn)云坐 標(biāo)數(shù)據(jù)。
[0005] 相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種三維激光掃描方法，該方法包括:獲取待測(cè)對(duì)象的掃 描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)；以及根據(jù)所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)和回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)獲得 所述待測(cè)對(duì)象的三維點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)。
[0006] 采用本發(fā)明提供的三維激光掃描設(shè)備以及方法，通過(guò)該設(shè)備的固定結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒍?維激光掃描儀固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，在使用時(shí)二維激光掃描儀能夠?qū)Υ郎y(cè)對(duì)象進(jìn)行二維掃描并提 供所述待測(cè)對(duì)象的掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行回轉(zhuǎn)操作并提供回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)，控制 器能夠控制所述二維激光掃描儀和所述轉(zhuǎn)臺(tái)的操作并接收所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)和回轉(zhuǎn) 角度數(shù)據(jù)并且根據(jù)所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)和回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)獲得所述待測(cè)對(duì)象的三維點(diǎn)云 坐標(biāo)數(shù)據(jù)，即該設(shè)備除了能夠進(jìn)行上下方向的線掃描，還可以進(jìn)行左右方向的面掃描，從而 實(shí)現(xiàn)三維面掃描功能，并且由于二維激光掃描儀的使用，大大降低了成本花費(fèi)，性價(jià)比很 尚。
[0007] 本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的【具體實(shí)施方式】部分予以詳細(xì)說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 附圖是用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分，與下面的具 體實(shí)施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中：
[0009] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的三維激光掃描設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010] 圖2是二維激光掃描儀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011] 圖3A是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的三維激光掃描設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012] 圖3B是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)角度的示意圖；以及
[0013] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的三維激光掃描方法的示例流程圖。
[0014] 附圖標(biāo)記說(shuō)明
[0015] 11掃描頭 12儀表基座
[0016] 100二維激光掃描儀 200轉(zhuǎn)臺(tái)
[0017] 300固定結(jié)構(gòu) 400控制器
【具體實(shí)施方式】
[0018] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描 述的【具體實(shí)施方式】?jī)H用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
[0019] 下面將舉例說(shuō)明本發(fā)明的思想，但應(yīng)當(dāng)理解的這些示例為非局限性示例，本發(fā)明 的保護(hù)范圍不限于此：
[0020] 為了更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明的思想，以三維激光掃描設(shè)備為例進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明。
[0021] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的三維激光掃描設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所 示，該設(shè)備可以包括:二維激光掃描儀100,用于對(duì)待測(cè)對(duì)象進(jìn)行二維掃描并提供所述待測(cè) 對(duì)象的掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù);轉(zhuǎn)臺(tái)200,用于進(jìn)行回轉(zhuǎn)操作并提供回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)；固定結(jié)構(gòu) 300，用于將所述二維激光掃描儀100固定在所述轉(zhuǎn)臺(tái)200上；以及控制器400，用于控制所述 二維激光掃描儀和所述轉(zhuǎn)臺(tái)的操作并接收所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)和回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù);所述控 制器還用于根據(jù)所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)和回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)獲得所述待測(cè)對(duì)象的三維點(diǎn)云坐 標(biāo)數(shù)據(jù)。
[0022] 采用這樣的實(shí)施方式，通過(guò)該設(shè)備的固定結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒍S激光掃描儀固定在轉(zhuǎn)臺(tái) 上，除了能夠進(jìn)行上下方向的線掃描外，還可以進(jìn)行左右方向的面掃描，從而實(shí)現(xiàn)三維面掃 描功能，并且在保證高性能的同時(shí)成本較低，可以被廣泛應(yīng)用和普及。
[0023]具體地，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇二維激光掃描儀100,例如可以選擇室外型長(zhǎng)距離 的二維激光掃描儀、或者短距離、高精度、輕型、室內(nèi)型的掃描儀產(chǎn)品。以室外型長(zhǎng)距離的二 維激光掃描儀為例，圖2是二維激光掃描儀的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，該二維激光掃描儀包 括掃描頭11和儀表基座12。所述二維激光掃描儀100可以對(duì)待測(cè)對(duì)象進(jìn)行二維掃描并提供 所述待測(cè)對(duì)象的掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)(例如掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以包括掃描角度和對(duì)應(yīng)該掃 描角度從所述二維激光掃描儀的掃描頭中心到所述待測(cè)對(duì)象的一點(diǎn)的距離）。
[0024]轉(zhuǎn)臺(tái)200-般可以采用一維回轉(zhuǎn)方式的轉(zhuǎn)臺(tái)（例如高精度一維轉(zhuǎn)臺(tái)），也可采用水 平、垂直雙方向的二維轉(zhuǎn)臺(tái)。以一維轉(zhuǎn)臺(tái)為例，其可以進(jìn)行回轉(zhuǎn)操作并提供回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)。
[0025]為了實(shí)現(xiàn)三維掃描的功能，需要將二維激光掃描儀100與轉(zhuǎn)臺(tái)200連接，圖3A是根 據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的三維激光掃描設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3A所示，固定結(jié)構(gòu)300可 以將所述二維激光掃描儀100固定在所述轉(zhuǎn)臺(tái)200上。例如，所述固定結(jié)構(gòu)300為楔形加強(qiáng)筋 板(材質(zhì)可以是普通碳鋼或更優(yōu)的鋼板），所述二維激光掃描儀100通過(guò)螺栓固定于所述楔 形加強(qiáng)筋板的一端，所述轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)螺栓固定于所述楔形加強(qiáng)筋板的另一端。采用這樣的實(shí) 施方式，該設(shè)備不但可以實(shí)現(xiàn)線掃描，而且還可以實(shí)現(xiàn)面掃描。
[0026]進(jìn)一步地，為了采集和處理掃描到的數(shù)據(jù)，控制器400可以分別與二維激光掃描儀 1 〇〇和轉(zhuǎn)臺(tái)200，例如二維激光掃描儀100的數(shù)據(jù)接口可以通過(guò)以太網(wǎng)接口與控制器400連 接，而轉(zhuǎn)臺(tái)200可以通過(guò)例如RS485等的通訊接口與所述控制器400連接，由此控制器400可 以控制所述二維激光掃描儀100和所述轉(zhuǎn)臺(tái)200的操作(例如控制二維激光掃描儀100開(kāi)啟、 關(guān)閉、暫停，控制轉(zhuǎn)臺(tái)200正向回轉(zhuǎn)、反向回轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)臺(tái)歸零以及回轉(zhuǎn)速度設(shè)定等)并接收所述 掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)和回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)。并且，所述控制器400還根據(jù)所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)和 回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)獲得所述待測(cè)對(duì)象的三維點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)。其中，所述控制器400可以為任何可 以實(shí)現(xiàn)上述功能的裝置，例如工控機(jī)。
[0027]下面進(jìn)一步闡明控制器400根據(jù)所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)和回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)獲得待測(cè) 對(duì)象的三維點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)的過(guò)程：
[0028]首先，考慮到激光掃描儀在室外掃描過(guò)程中，有可能遇到干擾的噪點(diǎn)，從而造成掃 描數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，因此需要對(duì)接收的掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。所述濾波處理包括 中值濾波、均值濾波、和最小二乘法濾波中的任一者。
[0029]其中，中值濾波可以過(guò)濾尖峰脈沖。以一維信號(hào)的中值濾波舉例。對(duì)序列80、120、 90、200、100、110、70，如果按大小順序排列，其結(jié)果為70、80、90、100、110、120、200，其中間 位置上的灰度值為100,則該灰度序列的中值即為100。一維信號(hào)中值濾波實(shí)際上就是用中 值代替規(guī)定位置(一般指原始信號(hào)序列中心位置)的信號(hào)值。對(duì)前面所舉的序列而言，中值 濾波的結(jié)果是用中值100替代序列80、120、90、200、100、110、70中的信號(hào)序列中心位置值 200，得到的濾波序列就是80、120、90、100、100、110、70。如果在此序列中200是一個(gè)噪聲信 號(hào)，則用此方法即可去除這個(gè)噪聲點(diǎn)。均值濾波算法的主要思想為鄰域平均法，即用幾個(gè)點(diǎn) 云的平均值來(lái)代替每個(gè)點(diǎn)的數(shù)值，有效抑制加性噪聲，但可能造成數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度下降。最小 二乘法通過(guò)最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。利用最小二乘法可以簡(jiǎn)便地求 得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。應(yīng)當(dāng)理解的 是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)臑V波處理方法中的一者或多者的結(jié)合， 以提高掃描的精確度。
[0030] 此外，由于三維激光掃描儀在工作時(shí)，二維激光在掃描的同時(shí)一維轉(zhuǎn)臺(tái)也在運(yùn)行， 讀取一個(gè)二維的點(diǎn)云輪廓數(shù)據(jù)要配合轉(zhuǎn)臺(tái)的角度數(shù)據(jù)才能形成三維數(shù)據(jù)，但是如果同步性 不好，例如，轉(zhuǎn)臺(tái)在10°時(shí)激光掃描的二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如果回轉(zhuǎn)角度讀取時(shí)存在滯后，讀取為 12°，這時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)之間都相差了一段空間距離，造成誤差較大。為了解決該問(wèn) 題，控制器400可以采用以下方法中的任一者來(lái)控制所述二維激光掃描儀和所述轉(zhuǎn)臺(tái)同步 操作：
[0031] (1)單步靜態(tài)讀取法
[0032] 在這種方法中，控制器400先控制轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)一定角度，例如0.5度，停止后啟動(dòng)激光 掃描，掃描一個(gè)掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后再次回轉(zhuǎn)0.5度，再次讀取掃描數(shù)據(jù)。這種方法的優(yōu) 點(diǎn)是：同步性好，三維數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度最高;缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)臺(tái)單步斷續(xù)運(yùn)行，掃描時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)于精準(zhǔn) 度要求高，掃描速度要求較低的場(chǎng)合可以采取這種方法進(jìn)行掃描。
[0033] (2)時(shí)間戳法
[0034]在這種方法中，控制器400控制轉(zhuǎn)臺(tái)連續(xù)回轉(zhuǎn)、掃描儀連續(xù)掃描，同時(shí)循環(huán)讀取回 轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)和掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但是每個(gè)讀取循環(huán)都給回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)和掃描輪廓點(diǎn)云數(shù) 據(jù)加上一個(gè)系統(tǒng)時(shí)間戳，全部掃描完畢后，通過(guò)時(shí)間戳查找時(shí)間最接近的回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)和 掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是:掃描速度較快，同步精度尚可，對(duì)于掃描 速度要求很快的場(chǎng)合適合這種算法。
[0035] (3)快速正反誤差消除法
[0036]這種方法與時(shí)間戳法類(lèi)似，不同點(diǎn)在于控制器400控制轉(zhuǎn)臺(tái)正反兩個(gè)方向都運(yùn)行 一次，形成兩次掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過(guò)計(jì)算兩次掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平均值，進(jìn)一步提高 同步性精度。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是:掃描時(shí)間適中，掃描精度較高，可以在大多數(shù)場(chǎng)合應(yīng)用。 [0037]數(shù)據(jù)同步完成后，可以進(jìn)行三維點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，圖3B是根據(jù)本發(fā)明的 一種實(shí)施方式的轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)角度的示意圖，如圖3A和3B所示，以所述轉(zhuǎn)臺(tái)200的中心所在豎 直軸線與所述轉(zhuǎn)臺(tái)底面交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)〇,在所述轉(zhuǎn)臺(tái)底面上通過(guò)所述坐標(biāo)原點(diǎn)〇的回轉(zhuǎn)角 度α的參考線作為X軸，以在所述轉(zhuǎn)臺(tái)底面上通過(guò)所述坐標(biāo)原點(diǎn)0的X軸的垂線作為Y軸，以所 述轉(zhuǎn)臺(tái)的中心所在豎直軸線作為Z軸，建立三維直角坐標(biāo)系。
[0038] 其中，所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以包括二維激光掃描儀的掃描角度Θ和對(duì)應(yīng)該掃 描角度Θ從所述二維激光掃描儀的掃描頭11中心到所述待測(cè)對(duì)象的一點(diǎn)的距離1，所述回轉(zhuǎn) 角度數(shù)據(jù)可以包括轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)角度α，控制器400根據(jù)所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)和回轉(zhuǎn)角度數(shù) 據(jù)獲得所述待測(cè)對(duì)象的三維點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)可以包括根據(jù)以下公式獲得所述待測(cè)對(duì)象的一 點(diǎn)的三維坐標(biāo)(x，y，z): X = UcqsO + h) cos a
[0039] ' v = (/cos^ + /〇sin? ; z = J + / sin 0
[0040] 其中，所述回轉(zhuǎn)角度α為所述轉(zhuǎn)臺(tái)在XOY平面內(nèi)相對(duì)于所述參考線回轉(zhuǎn)的角度，所 述掃描角度Θ為所述二維激光掃描儀的掃描頭在XOZ平面內(nèi)相對(duì)于X軸偏轉(zhuǎn)的角度，h為所述 二維激光掃描儀的掃描頭11中心到所述YOZ平面的距離，d為所述二維激光掃描儀的掃描頭 11中心到所述XOY平面的距離，其中h和d為固定值，可以預(yù)先測(cè)量獲得。
[0041] 類(lèi)似地，控制器400可以根據(jù)上述公式計(jì)算構(gòu)成所述待測(cè)對(duì)象的多個(gè)點(diǎn)（例如構(gòu)成 待測(cè)對(duì)象的所有數(shù)量的點(diǎn)）的三維坐標(biāo)，這些三維坐標(biāo)點(diǎn)可以包括在三維點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)中， 從而實(shí)現(xiàn)三維掃描的功能。
[0042] 由于一次掃描的數(shù)據(jù)可達(dá)IOM以上，數(shù)據(jù)量較大。因此，優(yōu)選地，控制器可以將獲得 的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制后存儲(chǔ)到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)(數(shù)據(jù)格式一般為blob)，以減少存儲(chǔ)空間占 用量。
[0043]圖4是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的三維激光掃描方法的示例流程圖，如圖4所 示，該方法可以包括以下步驟：
[0044]步驟1001，獲取待測(cè)對(duì)象的掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)；以及
[0045]步驟100,根據(jù)所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)和回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)獲得所述待測(cè)對(duì)象的三維 點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)。
[0046]優(yōu)選地，該方法還包括:對(duì)獲取的掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，其中所述濾波 處理包括中值濾波、均值濾波、和最小二乘法濾波中的任一者。
[0047]優(yōu)選地，該方法還包括:采用以下方法中的任一者同步地獲取待測(cè)對(duì)象的掃描輪 廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù):單步靜態(tài)讀取法、時(shí)間戳法、和快速正反誤差消除法。
[0048]優(yōu)選地，所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括二維激光掃描儀的掃描角度Θ和對(duì)應(yīng)該掃描 角度Θ從所述二維激光掃描儀的掃描頭中心到所述待測(cè)對(duì)象的一點(diǎn)的距離1，所述回轉(zhuǎn)角度 數(shù)據(jù)包括轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)角度α，以及所述根據(jù)所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)和回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)獲得所 述待測(cè)對(duì)象的三維點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)包括根據(jù)以下公式獲得所述待測(cè)對(duì)象的一點(diǎn)的三維坐標(biāo) (x,y,z)： X =(Icosf) + h) cos a
[0049] < v = (/cosC+ /?)sin6?; z - d Λ-? sin 0
[0050] 其中，以所述轉(zhuǎn)臺(tái)的中心所在豎直軸線與所述轉(zhuǎn)臺(tái)底面交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)0，在所述 轉(zhuǎn)臺(tái)底面上通過(guò)所述坐標(biāo)原點(diǎn)0的回轉(zhuǎn)角度α的參考線作為X軸，以在所述轉(zhuǎn)臺(tái)底面上通過(guò) 所述坐標(biāo)原點(diǎn)0的X軸的垂線作為Y軸，以所述轉(zhuǎn)臺(tái)的中心所在豎直軸線作為Z軸，建立三維 直角坐標(biāo)系，所述回轉(zhuǎn)角度α為所述轉(zhuǎn)臺(tái)在XOY平面內(nèi)相對(duì)于所述參考線回轉(zhuǎn)的角度，所述 掃描角度Θ為所述二維激光掃描儀的掃描頭在XOZ平面內(nèi)相對(duì)于X軸偏轉(zhuǎn)的角度，h為所述二 維激光掃描儀的掃描頭中心到所述YOZ平面的距離，d為所述二維激光掃描儀的掃描頭中心 到所述XOY平面的距離；以及所述待測(cè)對(duì)象的三維點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)包括構(gòu)成所述待測(cè)對(duì)象的 多個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
[0051] 應(yīng)當(dāng)理解的是，上述三維激光掃描方法的各個(gè)【具體實(shí)施方式】，均已在示例在三維 激光掃描設(shè)備的實(shí)施方式中做了詳細(xì)地說(shuō)明（如上所述），在此不再贅述。并且，本領(lǐng)域技術(shù) 人員可以根據(jù)本發(fā)明的公開(kāi)選擇上述各種實(shí)施方式中的任一者，或者選擇上述各種實(shí)施方 式的組合來(lái)進(jìn)行配置，并且其他的替換實(shí)施方式也落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0052] 本發(fā)明提供的三維激光掃描設(shè)備以及方法，防護(hù)等級(jí)高、精度高、性能佳、成本低、 掃描距離長(zhǎng)、掃描時(shí)間較快，一個(gè)掃描周期一般小于2分鐘，適合惡劣天氣下的室外作業(yè)。例 如，可以應(yīng)用在散料場(chǎng)的煤堆、礦石堆的三維激光掃描建模上，或者應(yīng)用在對(duì)集裝箱、船體 的掃描。
[0053]以上結(jié)合附圖詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí) 施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡(jiǎn) 單變型，這些簡(jiǎn)單變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0054] 另外需要說(shuō)明的是，在上述【具體實(shí)施方式】中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛 盾的情況下，可以通過(guò)任何合適的方式進(jìn)行組合，為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對(duì)各種可 能的組合方式不再另行說(shuō)明。
[0055] 此外，本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本 發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開(kāi)的內(nèi)容。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種Ξ維激光掃描設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括： 二維激光掃描儀，用于對(duì)待測(cè)對(duì)象進(jìn)行二維掃描并提供所述待測(cè)對(duì)象的掃描輪廓點(diǎn)云 數(shù)據(jù)； 轉(zhuǎn)臺(tái)，用于進(jìn)行回轉(zhuǎn)操作并提供回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)； 固定結(jié)構(gòu)，用于將所述二維激光掃描儀固定在所述轉(zhuǎn)臺(tái)上；W及 控制器，用于控制所述二維激光掃描儀和所述轉(zhuǎn)臺(tái)的操作并接收所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù) 據(jù)和回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù);所述控制器還用于根據(jù)所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)和回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)獲得所 述待測(cè)對(duì)象的Ξ維點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制器還用于： 對(duì)接收的掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，其中所述濾波處理包括中值濾波、均值濾 波、和最小二乘法濾波中的任一者。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制器還用于： 控制所述二維激光掃描儀和所述轉(zhuǎn)臺(tái)同步操作。4. 權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制器還用于控制所述二維激光掃描儀和 所述轉(zhuǎn)臺(tái)同步操作包括采用W下方法中的任一者： 單步靜態(tài)讀取法、時(shí)間戳法、和快速正反誤差消除法。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述固定結(jié)構(gòu)為模形加強(qiáng)筋板，所述二維 激光掃描儀通過(guò)螺栓固定于所述模形加強(qiáng)筋板的一端，所述轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)螺栓固定于所述模形 加強(qiáng)筋板的另一端。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括二維激光掃描 儀的掃描角度Θ和對(duì)應(yīng)該掃描角度Θ從所述二維激光掃描儀的掃描頭中屯、到所述待測(cè)對(duì)象 的一點(diǎn)的距離1，所述回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)包括轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)角度及 所述根據(jù)所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)和回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)獲得所述待測(cè)對(duì)象的Ξ維點(diǎn)云坐標(biāo) 數(shù)據(jù)包括根據(jù)W下公式獲得所述待測(cè)對(duì)象的一點(diǎn)的Ξ維坐標(biāo)(x，y，z):其中，W所述轉(zhuǎn)臺(tái)的中屯、所在豎直軸線與所述轉(zhuǎn)臺(tái)底面交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)0,在所述轉(zhuǎn)臺(tái) 底面上通過(guò)所述坐標(biāo)原點(diǎn)0的回轉(zhuǎn)角度α的參考線作為X軸，W在所述轉(zhuǎn)臺(tái)底面上通過(guò)所述 坐標(biāo)原點(diǎn)0的X軸的垂線作為Υ軸，W所述轉(zhuǎn)臺(tái)的中屯、所在豎直軸線作為Ζ軸，建立Ξ維直角 坐標(biāo)系，所述回轉(zhuǎn)角度α為所述轉(zhuǎn)臺(tái)在Χ0Υ平面內(nèi)相對(duì)于所述參考線回轉(zhuǎn)的角度，所述掃描 角度Θ為所述二維激光掃描儀的掃描頭在Χ0Ζ平面內(nèi)相對(duì)于X軸偏轉(zhuǎn)的角度，h為所述二維激 光掃描儀的掃描頭中屯、到所述Y0Z平面的距離，d為所述二維激光掃描儀的掃描頭中屯、到所 述X0Y平面的距離；W及 所述待測(cè)對(duì)象的Ξ維點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)包括構(gòu)成所述待測(cè)對(duì)象的多個(gè)點(diǎn)的Ξ維坐標(biāo)。7. -種Ξ維激光掃描方法，其特征在于，該方法包括： 獲取待測(cè)對(duì)象的掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)W及回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)；W及 根據(jù)所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)和回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)獲得所述待測(cè)對(duì)象的Ξ維點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，該方法還包括： 對(duì)獲取的掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，其中所述濾波處理包括中值濾波、均值濾 波、和最小二乘法濾波中的任一者。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，該方法還包括： 采用W下方法中的任一者同步地獲取待測(cè)對(duì)象的掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)W及回轉(zhuǎn)角度數(shù) 據(jù)： 單步靜態(tài)讀取法、時(shí)間戳法、和快速正反誤差消除法。10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述掃描輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括二維激光掃 描儀的掃描角度Θ和對(duì)應(yīng)該掃描角度Θ從所述二維激光掃描儀的掃描頭中屯、到所述待測(cè)對(duì) 象的一點(diǎn)的距離1，所述回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)包括轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)角度a，W及所述根據(jù)所述掃描輪廓 點(diǎn)云數(shù)據(jù)和回轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)獲得所述待測(cè)對(duì)象的Ξ維點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)包括根據(jù)W下公式獲得 所述待測(cè)對(duì)象的一點(diǎn)的Ξ維坐標(biāo)(X，y，Z):其中，W所述轉(zhuǎn)臺(tái)的中屯、所在豎直軸線與所述轉(zhuǎn)臺(tái)底面交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)0,在所述轉(zhuǎn)臺(tái) 底面上通過(guò)所述坐標(biāo)原點(diǎn)0的回轉(zhuǎn)角度α的參考線作為X軸，W在所述轉(zhuǎn)臺(tái)底面上通過(guò)所述 坐標(biāo)原點(diǎn)0的X軸的垂線作為Υ軸，W所述轉(zhuǎn)臺(tái)的中屯、所在豎直軸線作為Ζ軸，建立Ξ維直角 坐標(biāo)系，所述回轉(zhuǎn)角度α為所述轉(zhuǎn)臺(tái)在Χ0Υ平面內(nèi)相對(duì)于所述參考線回轉(zhuǎn)的角度，所述掃描 角度Θ為所述二維激光掃描儀的掃描頭在Χ0Ζ平面內(nèi)相對(duì)于X軸偏轉(zhuǎn)的角度，h為所述二維激 光掃描儀的掃描頭中屯、到所述Y0Z平面的距離，d為所述二維激光掃描儀的掃描頭中屯、到所 述X0Y平面的距離；W及 所述待測(cè)對(duì)象的Ξ維點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)包括構(gòu)成所述待測(cè)對(duì)象的多個(gè)點(diǎn)的Ξ維坐標(biāo)。
【文檔編號(hào)】G01B11/24GK105841631SQ201610165775
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月22日
【發(fā)明人】李長(zhǎng)安, 霍麗燕, 于洋, 李靖宇, 師偉, 馬磊, 姚同建, 崔永祥, 周慶博, 王寧, 冀偉
【申請(qǐng)人】中國(guó)神華能源股份有限公司, 神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司