CN103307996A - 一种激光扫描简易装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光扫描简易装置，包括有360°圆周方位角刻度的圆形平板状底座、万向水平水准仪、立柱、方位角指针、滑杆、导杆、导槽、量角器、激光测距仪。通过旋转立柱和移动滑杆改变测线方位角和倾角，可扫描并确定被测物体不同位置至激光点的距离，然后根据几何关系，计算确定该测点的三维坐标，获得被测物体表面空间形态坐标并由此建立被测物体的三维空间形态模型，实现了在不接触、不扰动结构/工程实体的情况下，全方位对硐室、巷道、容腔、采空区等进行空间形态三维激光扫描和工程变形量测与监控扫描，满足了操作简便、价格低廉、携带方便、可大众化普及的需要，极大地优化和减少了数据采集密度，避免了海量数据的后期繁琐处理。

Description

一种激光扫描简易装置
技术领域
本发明属于三维激光扫描技术领域，具体涉及一种对硐室、巷道、容腔、采空区等的空间形态进行三维激光扫描的简易装置。
背景技术
随着信息科学技术的不断发展，三维模拟、实物重构、虚拟现实等理论的相继提出，人们对事物的认识已从平面二维空间，逐渐转向空间三维立体思维模式。作为一种空间信息获取的新技术手段，三维激光扫描技术实现了对观测目标高精度、高速率、连续和自动的三维数据获取，克服了传统测量仪器的局限性，成为直接获取目标高精度三维数据，并实现三维可视化的重要手段，但是，现有的三维激光扫描仪过高的价格极大地限制了其应用和普及。
发明内容
为了实现在不接触、不扰动结构/工程实体的情况下，全方位对硐室、巷道、容腔、采空区等进行空间形态三维激光扫描和工程变形的量测、监控扫描，本发明提供一种激光扫描简易装置。
一种激光扫描简易装置包括平板状的底座，底座的顶面上设有360°圆周方位角刻度和万向水平水准仪；在360°圆周方位角刻度的中心通过螺栓连接设有垂直于底座的立柱；所述立柱下部径向上设有指针，指针和360°圆周方位角刻度相对应；立柱的中部设有量角器，量角器中心铰链连接着滑杆的一端，滑杆的另一端设有滑动螺栓，与滑动螺栓配合设有蝶形螺母；立柱的顶部铰链连接着导杆的一端，导杆上开设有沿长度方向的滑槽，滑杆上的滑动螺栓位于滑槽内，导杆与滑杆通过滑动螺栓和蝶形螺母的配合连接在一起，立柱、滑杆和导杆形成一个活动可变形的三角形，通过滑动螺栓沿滑槽的移动，可改变激光源点射线角度；导杆上部设有激光测距仪，激光测距仪的发光点为激光源点位置。
所述底座为圆形平板状，厚度为不小于1cm；底座的周边均布设的纵截面呈倒T形的三个支脚，所述支脚的上部为螺杆，螺杆的上端配合设有螺母；螺杆的上端穿过底座，位于底座的顶面。
所述立柱的下端设有圆形的垫片，垫片与立柱固定，垫片的直径大于立柱的横截面，用以保证立柱垂直于底座。
所述量角器为半圆形量角器，其圆心处固定连接着立柱。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
 1.本发明结构简易、携带方便、操作简单、价格低廉、可大众化普及。装置主体由底座、立柱、导杆、滑杆及测距仪组成，小巧轻便，通过旋转立柱和移动滑杆，轻易改变测线方位角和倾角，并根据测点至激光源点距离、方位角、倾角数据，即可计算出测点三维坐标；
2.数据采集密度可人工随意控制，极大地减少了数据采集量，避免了海量数据的后期繁琐处理。结合被测物体表面形态变异特性，通过调整由立柱、导杆和滑杆构成的动态三角形方位角和滑杆倾角，对被测物体表面形状变化梯度大的区域，可采用加密测点的办法进行扫描；而对于形状变化不明显的区域，则可只测量关键点距激光源点距离；由此，极大地减少了冗余数据的采集量，优化了物体表面形态测量数据，用极少量的数据，即可实现高精度的物体表面三维形态扫描与数据处理。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为图1的局部剖视放大图。
图3为图1中滑杆与导杆连接处背面的局部放大图。
图4为本发明激光扫描测点坐标计算原理图。
图1、图2、图3中序号：底座1、支脚2、万向水平水准仪3、立柱4、指针5、滑杆6、导杆7、量角器8、激光测距仪9、垫片10、螺栓11、蝶形螺母12、滑槽13、滑动螺栓14。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
 实施例：
参见图1、图2和图3，一种激光扫描简易装置包括圆形平板状的底座1，厚度为不小于1cm。底座1的顶面上设有360°圆周方位角刻度和万向水平水准仪3；在360°圆周方位角刻度的中心通过螺栓11固定安装有垂直于底座的立柱4，立柱4的下端设有圆形的垫片10，垫片10与立柱4固定，垫片10的直径大于立柱4的横截面，用以保证立柱4垂直于底座1。立柱4下部径向上固定安装有指针5，指针5和360°圆周方位角刻度相对应；指针5用以指示旋转支架所在平面的方位角，即扫描激光射线方位角，其值可通过方位刻度圆盘读数直接读取。立柱4的中部设有半圆形的量角器8，量角器8的圆心处铰链连接着滑杆6的一端，滑杆6的另一端设有滑动螺栓14，与滑动螺栓14配合设有蝶形螺母12；立柱4的顶部铰链连接着导杆7的一端，导杆7上开设有沿长度方向的滑槽13，滑杆6上的滑动螺栓14位于滑槽13内，导杆7与滑杆6通过滑动螺栓14和蝶形螺母12的配合连接在一起；立柱4、滑杆6和导杆7形成一个活动可变形的三角形，通过滑动螺栓14沿滑槽13的移动，可改变激光源点射线角度；导杆7的上部固定安装有激光测距仪9，激光测距仪9的发光点为激光源点位置。指针5用以指示立柱4、滑杆6和导杆7所在平面的方位角，即扫描激光射线的方位角，方位角数值可通过指针5指示的方位刻度直接读取。测量角度由滑杆6与量角器8刻度线叠合处的刻度数值直接读取，即倾角；
底座1周边均布安装有纵截面呈倒T形的三个支脚2，支脚2的上部为螺杆，螺杆的上端配合设有螺母；螺杆的上端穿过底座1，位于底座1的顶面。通过调节支脚2，确保在各种复杂地面条件时，装置的底座1上表面保持水平状态，以便于计算扫描激光源点位置坐标。
本发明的原理如下：
参见图4，根据说明书附图，O点为立柱4与导杆7交点， ABCDP面垂直于底座1，A点为O点在ABCDP面上的投影点，B为滑杆6与立柱4交点，D为激光源点，AD＇为AD在过A点与                                                
Figure 829113DEST_PATH_IMAGE001
平面平行面上的投影，为导杆7与立柱4的夹角，
Figure 463674DEST_PATH_IMAGE003
为ABCDP面的方位角。
已知：
Figure 796566DEST_PATH_IMAGE004
，滑杆长度
Figure 545692DEST_PATH_IMAGE005
，，
Figure 572871DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 709454DEST_PATH_IMAGE008
，测距
Figure 378333DEST_PATH_IMAGE009
，量角器8读数，方位角
Figure 63709DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 738404DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 261789DEST_PATH_IMAGE013
，OA垂直于ABCDP面，且ABCDP面绕OO＇轴旋转，O点坐标为
Figure 629317DEST_PATH_IMAGE014
， P点坐标
Figure 870942DEST_PATH_IMAGE015
即为所测点的坐标。
根据此题意，利用三角几何理论即可求出激光测点P坐标
Figure 83749DEST_PATH_IMAGE015
如下：
Figure 727220DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 69DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 728991DEST_PATH_IMAGE018
可由正弦和余弦定理，根据量角器8读数
Figure 748418DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 246396DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 955726DEST_PATH_IMAGE021
值求出。
综上，只要将该扫描装置安置在固定点，即可测得目标处各点的距离，再利用坐标换算以及数值分析方法获得测定目标的三维坐标从而绘制其三维图。
    本发明激光扫描简易装置的具体使用操作如下：
（1）将本发明激光扫描简易装置放置于待测物体下部，通过调节三个支脚2螺母，使万向水平水准仪3中的气泡置于水准仪顶部中央，确保圆形平板状的底座1上表面处于水平状态；
（2）转动立柱4使指针5指到0刻度位置，调整滑杆6使其内侧面与量角器8最小刻度重合，拧紧蝶形螺母12，使立柱4、滑杆6和导杆7组成一个确定的三角形；用激光测距仪9开始测距，并记录好当前扫描激光射线的方位角即指针5方位角、量角器8倾角和源光源点至物体表面测点间距离数据；
（3）通过转动立柱4、移动滑杆6改变扫描激光射线的方位角和倾角，即可测出被测物体不同位置至激光源点的距离；
（4）根据几何关系，计算确定各测点P的三维坐标
Figure 906364DEST_PATH_IMAGE015
，并由此建立被测物体的三维空间形态模型。

Claims (4)

1.一种激光扫描简易装置，其特征在于：包括平板状的底座，底座的顶面上设有360°圆周方位角刻度和万向水平水准仪；在360°圆周方位角刻度的中心通过螺栓连接设有垂直于底座的立柱；所述立柱下部径向上设有指针，指针和360°圆周方位角刻度相对应；立柱的中部设有量角器，量角器中心铰链连接着滑杆的一端，滑杆的另一端设有滑动螺栓，与滑动螺栓配合设有蝶形螺母；立柱的顶部铰链连接着导杆的一端，导杆上开设有沿长度方向的滑槽，滑杆上的滑动螺栓位于滑槽内，导杆与滑杆通过滑动螺栓和蝶形螺母的配合连接在一起，立柱、滑杆和导杆形成一个活动可变形的三角形，通过滑动螺栓沿滑槽的移动，可改变激光源点射线角度；导杆上部设有激光测距仪，激光测距仪的发光点为激光源点位置。
2.根据权利要求1所述的一种激光扫描简易装置，其特征在于：所述底座为圆形平板状，厚度为不小于1cm；底座的周边均布设的纵截面呈倒T形的三个支脚，所述支脚的上部为螺杆，螺杆的上端配合设有螺母；螺杆的上端穿过底座，位于底座的顶面。
3.根据权利要求1所述的一种激光扫描简易装置，其特征在于：所述立柱的下端设有圆形的垫片，垫片与立柱固定，垫片的直径大于立柱的横截面，用以保证立柱垂直于底座。
4.根据权利要求1所述的一种激光扫描简易装置，其特征在于：所述量角器为半圆形量角器，其圆心处固定连接着立柱。
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