CN102607414A - 视野及区域分辨率可调的三维激光扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种视野及区域分辨率可调的三维激光扫描装置。它包括二维激光扫描仪、扫描仪固定架、U形转架、滑块、L形支架、活塞杆、铰链、电机和电机转臂。二维激光扫描仪安装于扫描仪固定架和U形转架上，扫描仪固定架底部通过活塞杆、铰链和电机转臂与电机的转轴相连，使得二维激光扫描仪的扫描平面与水平面成一个锐角，并且在电机的带动下绕电机转轴所在直线旋转。在该方式下，扫描分辨率的最值在视野中的位置不会局限于固定的区域，通过附加电机转速的调节，视野中水平与垂直两个分量上的分辨率可同时得到调整，并且即便在不对电机转速进行控制的匀速转动时仍可通过滑块高度的调节来调整视场角及分辨率。

Description

视野及区域分辨率可调的三维激光扫描装置

技术领域

本发明属于三维信息技术领域，尤其是一种视野及区域分辨率可调的三维激光扫描装置。

背景技术

现有技术中单点激光线的三维扫描装置主要有两种：一种是将二维激光扫描仪固定在一水平转轴上，利用电机使扫描仪及其二维扫描平面绕该水平转轴摆动，以此实现三维环境的扫描。若需要对特定区域提高分辨率，则在二维激光扫描仪的二维扫描平面摆动至该区域时减小电机的转速，从而增大对该区域的扫描时间，进而提高分辨率；若需要降低特定区域的分辨率，则相应增大扫描至该区域时的电机转速即可。但该方式只能通过电机转速的调节来调整扫描区域垂直方向的分辨率，而水平方向的分辨率则由二维激光扫描仪本身在扫描平面上的分辨率所决定，无法人为调节。

另一种常见的扫描方式是将二维激光扫描仪固定在一竖直转轴上，利用电机使二维激光扫描仪及其二维扫描平面绕该竖直转轴旋转，以此实现三维环境的扫描。与上一种方式一样，该方式也通过对附加转轴电机转速的调节来调整特定扫描区域的分辨率，但该方式亦只能提高扫描区域水平方向的分辨率，而垂直方向的分辨率也无法人为调节。

上述两种扫描方式必须动态调节附加电机的转速来对分辨率进行调节，而在电机匀速转动时则无法调节扫描分辨率，这无疑增大了扫描控制过程的复杂性和可靠性。

另外，由于上述两种扫描方式中二维激光扫描仪的附加转轴均与二维激光扫描仪自身的扫描平面平行，故无论如何调整电机的转速，在整个扫描区域内分辨率最大处必然出现在与附加转轴平行的方向上，无法任意设置分辨率最值在视野中的位置。例如，采用上述第一种方式时，水平转轴两端方向上的扫描区域的分辨率始终最高，而中间部分的分辨率始终最低，这往往与实际应用需求不符；而采用上述第二种扫描方式时，扫描区域的两极（即顶部和底部）处分辨率始终最高，而赤道区域（即视野的中间区域）的分辨率始终最低。

发明内容

为了在附加电机匀速旋转时也能实现人为地对分辨率进行调节，同时克服现有技术中无法同时调整水平与垂直两个分量上的分辨率以及无法任意设置分辨率最值在视野中的位置等的不足，本发明提供了一种视野及区域分辨率可调的三维激光扫描装置。

本发明包括二维激光扫描仪、扫描仪固定架、U形转架、第一转轴、滑块、第二转轴、L形支架、紧固螺栓、垫片、活塞杆、铰链、电机转臂和电机；二维激光扫描仪固定安装于扫描仪固定架的钳形开口内，二者的几何中心线在空间上重合，扫描仪固定架的底部中央具有一个活塞筒，活塞筒的轴线与扫描仪固定架的几何中心线重合。U形转架的两臂与扫描仪固定架钳形开口的两臂通过第一转轴活动连接，使扫描仪固定架以及二维激光扫描仪可以绕第一转轴转动。滑块与U形转架通过水平方向的第二转轴活动连接，使U形转架连同扫描仪固定架以及二维激光扫描仪可以绕第二转轴转动。第二转轴在空间上与U形转架的几何中心线重合，且与第一转轴共面。L形支架通过其上部竖直方向的导向槽与滑块滑动连接，使滑块可以沿导向槽上下滑动，以实现滑块及二维激光传感器高度的调节。调节好滑块高度后，通过紧固螺栓与垫片使滑块与L形支架的相对位置固定。活塞杆的上端伸入扫描仪固定架底部的活塞筒内，下端则通过铰链与电机转臂的一端活动连接。电机转臂的另一端则与电机转轴的端部固定连接。电机固定于L形支架的底部，电机的转轴与第一转轴和第二转轴所在直线在空间上相交于同一点，使得二维激光扫描仪扫描平面的轴线与电机转轴所在直线相交成一个锐角。

本发明具有如下有益效果：

1.在电机匀速旋转而不施加转速控制时，仍可通过对滑块高度的调节实现扫描分辨率及视场角的调节，以适应不同高度对象的要求。

2.通过对电机转速的调节，可以对视野中任意一点的分辨率进行调节，而该分辨率的调节效果在水平和垂直分量上均能得到体现，从而进一步提高了扫描质量。

3.扫描分辨率的最值在视野中的位置不会局限于固定的区域，使扫描分辨率在视野中的分布更趋合理。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是扫描原理示意图；

图3是扫描效果示意图；

图4是降低滑块高度以增大视场角后的扫描效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

如图1所示，本发明包括二维激光扫描仪1、扫描仪固定架2、U形转架3、第一转轴4、滑块5、第二转轴6、L形支架7、紧固螺栓8、垫片9、活塞杆10、铰链11、电机转臂12和电机13；二维激光扫描仪1固定安装于扫描仪固定架2的钳形开口内，二者的几何中心线在空间上重合，扫描仪固定架2的底部中央具有一个活塞筒，活塞筒的轴线与扫描仪固定架2的几何中心线重合。U形转架3的两臂与扫描仪固定架2钳形开口的两臂通过第一转轴4活动连接，使扫描仪固定架2以及二维激光扫描仪1可以绕第一转轴4转动。滑块5与U形转架3通过水平方向的第二转轴6活动连接，使U形转架3连同扫描仪固定架2以及二维激光扫描仪1可以绕第二转轴6转动。第二转轴6在空间上与U形转架3的几何中心线重合，且与第一转轴4共面。L形支架7通过其上部竖直方向的导向槽与滑块5滑动连接，使滑块5可以沿导向槽上下滑动，以实现滑块5及二维激光传感器1高度的调节。调节好滑块5高度后，通过紧固螺栓8与垫片9使滑块5与L形支架7的相对位置固定。活塞杆10的上端伸入扫描仪固定架2底部的活塞筒内，下端则通过铰链11与电机转臂12的一端活动连接。电机转臂12的另一端则与电机13转轴的端部固定连接。电机13固定于L形支架7的底部，电机13的转轴与第一转轴4和第二转轴6所在直线在空间上相交于同一点，使得二维激光扫描仪扫描平面的轴线与电机转轴所在直线相交成一个锐角。

如图1、图2所示，以二维激光扫描仪的摆动中心点为原点，第二转轴所在直线为x轴，竖直方向为z轴建立三维空间直角坐标系。当电机13通电运行时，其转轴带动电机转臂12、铰链11和活塞杆10绕电机转轴所在的直线即z轴旋转，U形转架3带动扫描仪固定架2及二维激光扫描仪1绕第二转轴6往复摆动，与此同时，扫描仪固定架2和二维激光扫描仪1也绕第一转轴4往复摆动，因此，随着电机13的旋转，扫描仪固定架2及二维激光扫描仪1在空间上绕第一转轴4和第二转轴6同时作两个自由度的往复摆动。在摆动过程中，电机13的转轴、第一转轴4和第二转轴6所在直线的交点即摆动中心点在空间上始终保持静止。

二维激光扫描仪1的扫描平面14的轴线与电机13转轴所在直线相交形成一个锐角

，故二维激光扫描仪1的扫描平面14相对于水平面所成的倾斜角也为

，称为扫描过程中的仰角，令电机转臂长为l₁ ，摆动中心点相对于电机13转轴端部的高度为l₂ ，则仰角

随着电机13的转动，二维激光扫描仪1的扫描平面14及其扫描轨迹也以摆动中心点为中心作两个自由度的往复摆动，最终形成的三维扫描轨迹为环形的带状网格视场，如图3所示。与传统扫描方式不同的是，这种扫描方式下视野中除顶部和底部边界点外的任意一点都会有两条不同的扫描轨迹通过并相交于该点，因此，若进一步对电机13的转速进行控制，则可以对视野中任意一点的扫描分辨率进行调节，且在水平与垂直两个分量上都能得到调节，而分辨率最值在视野中的位置也不会局限于固定的区域。这两条扫描轨迹对应于电机13不同的角位移，当电机13旋转至这两个角位移处时，减小电机13转速即可提高该点及其附近区域的扫描分辨率，反之，增大电机13转速则可相应减小分辨率。

调节滑块5的高度可以调节扫描时垂直方向的视场角2

。当需要扫描的景物或对象高度较高时，降低滑块5的高度可增大视场角，从而使扫描范围覆盖景物或对象全部。除此之外，即使不对电机13的转速施加控制，即仅使电机13匀速旋转，对滑块5高度的调节也可以实现对扫描分辨率的调节，尤其是当需要扫描的景物或对象高度较低时，增大滑块5的高度可以减小视场角，并增大扫描分辨率。因此，通过对滑块5高度的调节，不仅可以调节视场角，也可以实现电机13匀速转动情况下对扫描分辨率的调节，从而使扫描过程适应不同高度对象的要求。

所述的二维激光扫描仪1在采集到的扫描信息，需要通过直角坐标变换和三维空间旋转坐标变换将其转换为三维空间坐标下的扫描数据。为此，设铰链11的坐标为(x(

),y(

),z(

))，其中

为电机13旋转的角位移，则

，

，

二维激光扫描仪1在摆动过程中绕x轴旋转的角度α及绕y轴旋转的角度β分别为：

，

三维直角坐标系下绕x轴及y轴的旋转矩阵分别为：

，

二维激光扫描仪1获得的扫描信息为极坐标(r, θ)，因此需要从将极坐标转换为二维直角坐标：

二维直角坐标扩展到三维直角坐标的变换为：

因此，由二维激光扫描仪1得到的极坐标系下的扫描信息(r, θ)和电机13的角位移ϕ可以计算得到三维直角坐标系下的扫描数据坐标( x ₂,y ₂,z ₂ )为：

其中

，

通过滑块5高度的调节可以改变摆动中心点距电机13轴端的高度l₂ ，从而改变扫描的视场角2

。附图4中所示即为降低滑块5的高度以增大视场角的效果图。

Claims (1)

1. 视野及区域分辨率可调的三维激光扫描装置，其特征在于：该装置包括二维激光扫描仪、扫描仪固定架、U形转架、第一转轴、滑块、第二转轴、L形支架、紧固螺栓、垫片、活塞杆、铰链、电机转臂和电机；二维激光扫描仪固定安装于扫描仪固定架的钳形开口内，二者的几何中心线在空间上重合，扫描仪固定架的底部中央具有一个活塞筒，活塞筒的轴线与扫描仪固定架的几何中心线重合，U形转架的两臂与扫描仪固定架钳形开口的两臂通过第一转轴活动连接，使扫描仪固定架以及二维激光扫描仪可以绕第一转轴转动，滑块与U形转架通过水平方向的第二转轴活动连接，使U形转架连同扫描仪固定架以及二维激光扫描仪可以绕第二转轴转动，第二转轴在空间上与U形转架的几何中心线重合，且与第一转轴共面，L形支架通过其上部竖直方向的导向槽与滑块滑动连接，使滑块可以沿导向槽上下滑动，以实现滑块及二维激光传感器高度的调节，调节好滑块高度后，通过紧固螺栓与垫片使滑块与L形支架的相对位置固定，活塞杆的上端伸入扫描仪固定架底部的活塞筒内，下端则通过铰链与电机转臂的一端活动连接，电机转臂的另一端则与电机转轴的端部固定连接，电机固定于L形支架的底部，电机的转轴与第一转轴和第二转轴所在直线在空间上相交于同一点，使得二维激光扫描仪扫描平面的轴线与电机转轴所在直线相交成一个锐角。

Images