CN103837095B - 一种三维激光扫描方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维激光扫描方法及装置，方法包括在垂直扫描面中以扫描头内激光发射中心点为扫描原点建立扫描仪的三维坐标系，每次获取激光测距时，根据扫描头的方位角θ和顶点角Φ，计算出测距传感器发射激光束的方位角θ和俯仰角度β，从而得到三维激光角点坐标的计算公式，装置包括扫描头、轴驱动单元、测距单元、电机驱动单元和嵌入式控制单元，扫描头包括反光镜、轴承、激光孔和机械支架；机械支架包括横向支架、纵向支架和方位支座；轴驱动单元包括方位直驱电机、顶点直驱电机、方位驱动轴、顶点驱动轴、方位圆光栅和顶点圆光栅；激光测距单元包括一维激光测距传感器、可调支架和连接件。本发明提高了三维扫描测量精度，减小了扫描装置的体积，实现其小巧化易携带。

Description

一种三维激光扫描方法及装置

技术领域

本发明属于激光扫描技术领域，更具体地，涉及一种三维激光扫描方法及装置。

背景技术

三维激光扫描技术是近年来发展的集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，能够完整而高精度地对空间物体的外形和结构进行三维扫描，快速获取物体表面的空间坐标点集。目前，三维激光扫描技术的研究在许多发达国家深入展开，已经推出不少产品，基本形成了产业化的局面，但价格昂贵，国内也有一些科研机构推出了自己的产品，大都是在已有二维激光传感器的基础上增加了一维旋转平台从而构成了可以三维扫描的激光雷达装置，例如申请号为201120307686.0，发明名称为激光雷达呈三维扫描的摆动装置；申请号为200710171878.1，发明名称为大型锻件的激光雷达在线三维测量与方法，这两个专利申请文件中都是利用电机带动二维激光雷达在某一水平平面转动，从而实现了三维扫描，但由于二维激光雷达本身分辨率已设定好无法进行调整，若买高精度的二维激光雷达成本太高，所以整个系统的测量误差主要取决于二维激光雷达的精度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种三维激光扫描方法，旨在解决现有技术三维扫描测量精度低，扫描装置价格昂贵的技术问题。

本发明提供了一种三维激光扫描方法，包括下述步骤：

(1)在垂直扫描面中以扫描头内激光发射中心点为扫描原点建立三维坐标系；具体为：沿方位轴方向建立Z轴；在水平扫描面内穿过所述扫描原点并与所述Z轴垂直方向建立Y轴；根据右手定理在穿过扫描原点平行于水平扫描面且与所述垂直扫描面垂直方向建立X轴；

(2)扫描头绕方位轴旋转的角度θ和扫描头绕顶点轴旋转的角度Φ，其中θ和Φ的角度均由此公式得到：且根据扫描头中顶点轴与方位轴之间的夹角α算出顶点轴Φ旋转形成扫描头的俯仰角度β， $\mathrm{\&beta;}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\&Phi;}-90}{90}\mathrm{\&alpha;}& 0\&le;\mathrm{\&beta;}\&le;180\\ \frac{270-\mathrm{\&Phi;}}{90}\mathrm{\&alpha;}& 180\&le;\mathrm{\&beta;}\&le;360\end{array}\right.,$ 0<α<90°，0≤θ≤360°，0≤Φ≤360°，-α≤β≤+α；

(3)根据一维激光测距传感器到被测物体表面的距离R、激光扫描起点与扫描原点之间的距离r、方位角θ和俯仰角度β获得三维激光角点在所述三维坐标系中的坐标值：x=(R-r)cosβcosθ、y＝(R-r)cosβsinθ、z＝(R-r)sinβ。

本发明还提供了一种三维激光扫描装置，包括扫描头、轴驱动单元、测距单元和控制模块；所述扫描头包括反光镜、轴承、激光孔和机械支架；所述机械支架包括横向支架、纵向支架和方位支座，所述反光镜和所述激光孔通过所述横向支架固定在所述轴承上，所述纵向支架固连于所述横向支架上，所述轴承与所述方位支座成α角设置；所述α角小于90度；所述轴驱动单元包括方位直驱电机、顶点直驱电机、方位驱动轴、顶点驱动轴、方位圆光栅和顶点圆光栅；所述顶点驱动轴位于方位驱动轴内，两者构成同心轴结构；顶点直驱电机与所述顶点驱动轴连接，用于驱动顶点驱动轴运动；顶点圆光栅与所述顶点直驱电机连接，用于获得顶点驱动轴旋转的脉冲计数个数；方位直驱电机与所述方位驱动轴连接，用于驱动所述方位驱动轴运动；方位圆光栅与所述方位直驱电机连接，用于获得方位驱动轴旋转的脉冲计数个数；所述激光测距单元包括一维激光测距传感器、可调支架和连接件；连接件用于连接所述激光测距单元与所述轴驱动单元；所述可调支架的一端固定在所述激光测距单元底部，所述可调支架的另一端与一维激光测距传感器连接，通过可调支架调节所述一维激光测距传感器的位置使得一维激光测距传感器发射的激光能从所述轴驱动单元的轴心射出。

其中，所述方位支座为空心圆柱体结构，中心设置有通孔，所述通孔便于顶点驱动轴通过。

其中，所述方位驱动轴和所述顶点驱动轴均为空心轴，所述空心轴用于传输激光光束。

其中，所述控制模块包括电机驱动单元和嵌入式控制单元；所述嵌入式控制单元的第一控制端与所述一维激光测距传感器连接，所述嵌入式控制单元的第二控制端与电机驱动单元的输入控制端连接，电机驱动单元的输出控制端与所述轴驱动单元连接。

本发明通过控制直驱电机上高分辨率的编码器实现方向角和俯仰角的测量，同时控制测距单元发射激光的发射，使得每个点间的角度很小，同一角度范围内获得点数变多，从而提高了三维扫描测量精度；扫描头与激光雷达测距传感器位置上独立，方便于激光测距传感器的更换、旋转装置的控制，轴驱动单元的两轴直接由两直驱电机控制，减少中间传动机构，从而减小了扫描装置的体积，实现其小巧化易携带。

附图说明

图1是本发明实施例提供的三维扫描坐标系；

图2是本发明实施例提供的视场示意图；

图3是本发明实施例提供的顶点角0°时旋转一周的三维扫描视场示意图；其中(a)为0°和90°时刻扫描头的扫描位置示意图(b)为180°和270°时刻扫描头的扫描位置示意图；

图4是本发明实施例提供的三维激光扫描装置的原理框图；

图5是本发明实施例提供的三维激光扫描装置的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的三维激光扫描装置中扫描头的内部结构示意图；

图7是本发明实施例提供的三维激光扫描装置中嵌入式控制单元的组成结构图；

图8是本发明实施例提供的三维激光扫描装置的工作原理流程图。

其中，扫描头1、轴驱动单元2、测距单元3、电机驱动单元4、嵌入式控制单元5、方位轴15、顶点轴16、激光孔13、轴承12、方位支座143、方位直驱电机21、顶点直驱电机22、顶点驱动轴24、方位驱动轴23、一维激光雷达测距传感器31、横向支架141、纵向支架142、反光镜11、扫描原点17。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高精度的三维激光扫描方法，旨在解决现有技术三维扫描测量精度低，扫描装置价格昂贵，扫描装置小巧易携带。

为实现上述目的，本发明提供了一种三维激光扫描方法，三维扫描转台有两个旋转轴，分别是顶点轴和方位轴，其中方位轴和顶点轴上的角度变化是分别由各自的电机带动旋转变化的，且顶点轴与方位轴之间有个α倾斜角度，扫描头绕方位轴旋转角度为θ，绕顶点轴旋转角度为Φ。如图1、图2和图3所示，在垂直扫描面中以扫描头内激光发射中心点为扫描原点建立扫描仪的三维坐标系，沿方位轴方向建立Z轴，Y轴在水平扫描面内穿过激光发射中心点，并与Z轴垂直，根据右手定理，X轴沿纵向扫描旋转轴方向穿过激光发射中心点，平行于水平扫描面，与纵向(垂直)扫描面垂直。

顶点轴相对于Z轴的倾斜角度为α，已知激光扫描起点与扫描头内激光发射中心点的距离为r，通过激光测距获得传感器到被测表面的距离数据R。方位角θ以X轴的方向为起点逆时针旋转，顶点角Φ以Y轴的方向为起点逆时针旋转，每次获取激光测距时，根据扫描头的方位角θ和顶点角Φ，计算出测距传感器发射激光束的方位角θ和俯仰角度β，且方位角0≤θ≤360°，0≤Φ≤360°，-α≤β≤+α。因此可以得到三维激光角点坐标的计算公式：

x＝(R-r)cosβcosθ

y＝(R-r)cosβsinθ

z＝(R-r)sinβ

$\mathrm{\&beta;}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\&Phi;}-90}{90}\mathrm{\&alpha;}& 0\&le;\mathrm{\&beta;}\&le;180\\ \frac{270-\mathrm{\&Phi;}}{90}\mathrm{\&alpha;}& 180\&le;\mathrm{\&beta;}\&le;360\end{array}\right.$

在本发明实施例提供的扫描方法可以按照如下具体步骤进行扫描：

(1)根据如下公式，在嵌入式控制单元计算出当前两个直驱电机的转速，并设置当前激光发射率；

(2)一维测距传感器与嵌入式控制单元通过RS422通信，数据传输的波特率1Mbps，根据传感器的通讯帧协议，嵌入式控制单元发送一条读取单次测量距离的消息帧0x010x030x000x0F0x000x020xF40x08，测量正常则同时测距传感器也会返回消息响应，从中获得测距值；

(3)嵌入式控制单元通过改变直驱电机驱动器上接口电平信号的变换，1或0改变正反转，调整PWM信号的占空比，使改变PWM信号输出的脉宽大小改变电压来实现电机的调速，并根据速度信息用PID调节器控制两个直驱电机的转速和转向，三维扫描转动时圆光栅与电机同速旋转，由光电检测器发出计数脉冲，用于三维扫描的脉冲测量。在两轴转台的位置控制中，通过QEPA和QEPB输入差分信号A、B转换后的脉冲信号，定义QDECCTL寄存器的位控制选择计数器的时钟和方向输入信号来设置技术模式，如递增模式下，根据得到当前的脉冲数与之前的脉冲数相减，即得到相对于前一时刻的角度数据。根据如下公式，算的两维各自的角度值，零位脉冲信号Z给出圆光栅的绝对零位位置，根据该信号的上升沿或下降沿作为测量基准进入零位信号中断程序，中断程序中给QEP计数器QPOSCNT清零，每次过零位脉冲时都清零一次，方便下一次三维扫描设备转动的角度测量。

(4)扫描头开始逐点逐圈的扫描，当每获取当前距离数据时，嵌入式控制单元进入测距中断，获取当前的两个角度值，如此进行一圈圈扫描，可获得水平视场360度和俯仰视场为2α的扫描点的顶点角、方位角和距离信息。

(5)嵌入式控制单元利用TCP／IP协议栈的网络接口芯片以太网传输扫描点的顶点角、方位角和距离信息，先将三者数据按协议进行组包，通信协议如下，命令符：由1个英文字符组成；分隔符："，"；参数字符串：可变长；结束符："."。然后根据此协议传输至上位机，在上位机上由三维激光角点坐标的计算公式得到俯仰视场为2α的扫描点的三维信息，则停止扫描，系统复位。

本发明实施例提供的扫描方法具有扫描速度更快，精度更高，便于控制，体积更小的特点；通过控制一维激光测距传感器的发射频率，直驱电机上高分辨率的圆光栅获取方向角和俯仰角的测量，使得每个点间的角度很小，同一角度范围内获得点数变多，从而提高了三维扫描测量精度；同心轴结构的轴驱动方式使得直驱电机控制方式更加方便，无须更多的机械结构，扫描头质量较轻，两轴各自独立且同时扫描，提高了扫描速度；扫描头与一维激光测距传感器位置上独立，方便于激光测距传感器的更换、旋转装置的控制，轴驱动单元的两轴直接由两直驱电机控制，减少中间传动机构，从而减小了扫描装置的体积，实现其小巧化易携带。

本发明的目的还在于提供一种实现上述扫描方法的扫描装置，如图4、图5和图6所示，扫描装置包括：扫描头1、轴驱动单元2、测距单元3、电机驱动单元4和嵌入式控制单元5组成；扫描头1位于轴驱动单元2之上，测距单元3位于轴驱动单元之下，电机驱动单元4和嵌入式控制单元5则作为轴驱动单元2电机驱动和整个系统控制功能而存在。整个扫描装置目的是基于上述扫描原理采用上述扫描方法采集场景点云数据，并计算之将得到三维数据通过以太网接口发送到采集服务器。

其中，扫描头1包括反光镜11、轴承12、激光孔13和机械支架14构成，机械支架14包括横向支架141、纵向支架142和方位支座143，反光镜11和激光孔13通过横向支架141固定在轴承12上，反光镜11在横向支架上反光镜11的俯仰位置可调，纵向支架142固连于横向支架141上，扫描头内轴承12与方位支座143成α角，方位支座143为空心圆柱体结构，中心设置有通孔，便于顶点驱动轴24通过；方位支座143的上端用于与扫描头1固定连接，下端与方位驱动轴23固定连接。其中，纵向支架142顶端带凹槽，横向支架141中间内部有凹槽用于稳固反光镜11，横向支架141中间外部设置有与纵向支架142顶端凹槽配合连接的凹槽结构。反光镜11的反射中心与激光孔的中心相对且本身也由横向支架141和纵向支架142配合固定在扫描头1内，整个扫描头的方位支座143与轴驱动单元2联结在一起，其水平运动由轴驱动单元2的直驱电机21控制，俯仰运动则由轴驱动单元2的直驱电机22控制，直驱电机22驱动的顶点驱动轴24直接带动反光镜11下的纵向支架142转动从而带动横向支架141在轴承12上转动，反光镜11反射的激光就可进行扫描；

轴驱动单元2包括方位直驱电机21、顶点直驱电机22、方位驱动轴23、顶点驱动轴24、方位圆光栅25和顶点圆光栅26；其中方位驱动轴23的轴心与顶点驱动轴24的轴心位于一条直线上(理想情况下，要求两个轴心位于一条直线上，便于简化三维激光角点坐标计算公式；实际应用中，可以不在一条直线上，计算角点坐标时需要校正偏差)，顶点驱动轴24位于方位驱动轴23内，构成同心轴结构；方位驱动轴23和顶点驱动轴24是空心的轴，空心轴用于传输激光束，方位直驱电机21、顶点直驱电机22不需通过任何传动机构直接与方位驱动轴23、顶点驱动轴24相固连，且下方通过螺钉各安装了方位圆光栅25、顶点圆光栅26，这样使得机械设计简单，体积可以设计的更小；方位圆光栅25、顶点圆光栅26用于计算脉冲个数，并根据脉冲个数可以获得扫描头绕方位轴旋转的角度θ和扫描头绕顶点轴旋转的角度Φ。其中，顶点驱动轴24对应直驱电机22，方位驱动轴23对应直驱电机21，两旋转轴轴心处于一条直线上，方位驱动轴23固定在方位支座143外径和直驱电机21上，直驱电机21转动使得方位驱动轴23上的扫描头1在水平方向转动；顶点驱动轴24固定在方位支座143内径和直驱电机22上，直驱电机22转动使得顶点驱动轴24上扫描头1在倾斜方向旋转，可得到2α的俯仰视场，且轴心与反射激光反射镜11的反射点在一条直线上，可用于传输激光雷达产生的激光束，直驱电机21和22下方的方位圆光栅25和顶点圆光栅26用于获取角度信息。

激光测距单元3主要由一维激光测距传感器31、可调支架32和连接件33；激光测距单元3通过连接件33与轴驱动单元2连接起来，可调支架32的一端固定在激光测距单元3底部，另一端与一维激光测距传感器31连接，并可以通过调节一维激光测距传感器31的位置使得一维激光测距传感器31发射的激光便于从空心的方位驱动轴23和顶点驱动轴24的轴心射出。具体可以通过调节内部有一定宽度内槽的可调支架上的调节螺钉改变一维激光雷达测距传感器的左右位置从而改变激光束的发射点的位置使得此激光雷达激光发射点与轴驱动单元2的轴心在一条直线上，其产生的激光束直接通过轴驱动单元的中心进入扫描头内，由扫描头内置一个反光镜11用于反射激光测距单元不断传来的激光束，并通过激光孔反射出去，从而构成激光传输的光路；其中，产生的激光束直接通过轴驱动单元2的顶点驱动轴24的中心进入扫描头1内，扫描头1内置一个反光镜11用于反射激光测距单元3不断传来的激光束，并通过激光孔13反射出去，从而构成激光传输的光路，根据一维激光雷达测距传感器31内部的激光脉冲接收器通过计算激光回波的收发时间差和相位差值，测量出激光脉冲每次从发出到目标物体表面再返回仪器所经过的距离，得到各激光点的目标距离值。

在本发明实施例中，由电机驱动单元4和嵌入式控制单元5组成三维激光雷达的控制模块，电机驱动单元4采用合适的直驱电机驱动器给直驱电机方向信号和速度信号来改变电机的转速和方向，由直驱电机驱动器构成了电机驱动单元4，通过给定直驱电机的方向和速度信号实现电机转向、转速的控制，嵌入式控制单元5是整个系统的核心，负责同步激光雷达的测量，驱动单元的控制，角度测量、数据传输等。如图7所示，嵌入式控制单元核心部分采用的是浮点处理单元的嵌入式微处理器；一维激光测距传感器31是微控制器的UART通过差分驱动和用于平衡传输芯片与RS232接口相连，即可通过RS232接口实现一位测距传感器实现距离信息的获取；嵌入式微处理器的GPIO接口通过较强的带负载能力的驱动芯片从而可以为直驱电机驱动器提供较大的方向和电压信号可有效的控制直驱电机的转速和旋转方向；嵌入式微处理器获取的脉冲信号则是这两个电机的圆光栅上的采集信号先采集A／B／Z相的差分信号，并经过差分转换芯片使得A／B／Z相的差分输入信号转换成脉冲信号，从而微控制器通过自己的计数寄存器QEP获得当前时刻的脉冲数，再根据当前脉冲个数和旋转一圈所需的脉冲数换算出转换之后的角度；嵌入式微处理器的10／100MEthernetMAC通过SPI接口与网络接口芯片连接，并连接到外用带网络变压器的一体RJ45座，即可通过网线与服务器进行距离值和两维角度数据的网络传输。

本发明通过控制直驱电机上高分辨率的编码器实现方向角和俯仰角的测量，同时控制测距单元发射激光的发射，使得每个点间的角度很小，同一角度范围内获得点数变多，从而提高了三维扫描测量精度；扫描头与激光雷达测距传感器位置上独立，方便于激光测距传感器的更换、旋转装置的控制，轴驱动单元的两轴直接由两直驱电机控制，减少中间传动机构，从而减小了扫描装置的体积，实现其小巧化易携带。

本发明实施例提供的一种三维扫描系统的装置由扫描头、轴驱动单元、测距单元、电机驱动单元和嵌入式控制单元组成。整个系统中嵌入式控制单元是核心，发送指令给电机驱动单元从而控制轴驱动单元的两个轴使得扫描头在顶点轴和方位轴的方向上按相对速度运行和反馈当前的角度值，同时并控制测距单元的激光发射频率，嵌入式控制单元将每次测量点的距离值、两个方向的位置信息通过以太网传输给上位机，由上位机计算得到每个点的坐标信息。

本发明实施例中，三维扫描转台有两个旋转轴，分别是顶点轴15和方位轴16，其中方位轴16方向上的角度变化是由直驱电机21带动方位支座143旋转形成的，顶点轴15方向上的角度变化是由直驱电机22带动轴承12旋转形成的，且相对于方位轴143倾斜角度α，扫描头1绕方位轴16旋转角度为θ，绕顶点轴15旋转角度为Φ。

本发明实施例提供的扫描装置的工作原理如下：顶点支座与方位支座成α大小的角度，反射镜中心与激光孔中心成一条直线；以反射镜反射中心为扫描原点构建扫描的三位坐标系沿方位轴方向建立Z轴，Y轴在水平扫描面内穿过激光发射中心点，并与Z轴垂直，根据右手定理，X轴沿纵向扫描旋转轴方向穿过激光发射中心点，平行于水平扫描面，与纵向(垂直)扫描面垂直；根据三维坐标系可得三维激光角点坐标的计算公式：x=(R-r)cosβcosθ、y=(R-r)cosβsinθ、z=(R-r)sinβ；其中0≤θ≤360°，0≤Φ≤360°，-α≤β≤+α. $\mathrm{\&beta;}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\&Phi;}-90}{90}\mathrm{\&alpha;}& 0\&le;\mathrm{\&beta;}\&le;180\\ \frac{270-\mathrm{\&Phi;}}{90}\mathrm{\&alpha;}& 180\&le;\mathrm{\&beta;}\&le;360\end{array}\right.,$ 计算直驱电机所需的转速、设置当前转向和一维激光雷达激光发射率；控制两电机以某一速度相对运行，控制激光测距传感器发射的激光频率同时采集两电机圆光栅读数头反馈的位置信息；根据两直驱电机此时的速度信息，用PID调节器控制两个直驱电机的转速和转向；顶点轴每旋转某一分辨率的角度时方向轴旋转一圈，扫描头开始逐点逐圈的扫描，如此进行一圈圈扫描，可获得水平视场360度和俯仰视场为2α的扫描点的；每次扫描得到点的顶点角、方位角和距离信息根据三维激光角点坐标的计算公式得到俯仰视场为2α的扫描点的三维信息，则系统停止扫描，系统复位。

在垂直扫描面中以扫描头1内激光发射中心点为扫描原点17建立扫描仪的三维坐标系，沿方位轴16方向建立Z轴，Y轴在水平扫描面内穿过激光发射中心点，并与Z轴垂直，根据右手定理，X轴沿纵向扫描旋转轴方向穿过激光发射中心点，平行于水平扫描面，与纵向(垂直)扫描面垂直。顶点轴15相对于Z轴的倾斜角度为α，已知激光扫描起点与扫描头内激光发射中心点的距离为r，通过激光测距获得传感器到被测表面的距离数据R。方位角θ以X轴的方向为起点在方位支座143的水平面上逆时针旋转，顶点角Φ以Y轴的方向为起点在轴承12的水平面上逆时针旋转，每次获取激光测距时，根据扫描头1的方位角θ和顶点角Φ，计算出测距传感器发射激光束的方位角θ和俯仰角度β，且方位角0≤θ≤360°，-α≤β≤+α。因此可以得到三维激光角点坐标的计算公式：

x＝(R-r)cosβcosθ

y＝（R-r)cosβsinθ

z＝(R-r)sinβ

顶点角Φ为0°，则此时的扫描头1的俯仰角也为0°，通过改变方位角的角度，即实现了扫描头1在俯仰角为0°的一圈的扫描，根据距离值R、r和三维激光角点坐标的计算公式，可得俯仰角为0°的一圈的点的三维信息：X=(R-r)cosθ、Y=(R-r)sinθ、Z=0。顶点角Φ在±90°变化，可得俯仰角β在±α变化，且由上所述可以获得2α的环形三维扫描视场的三维点云信息。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的扫描方法及装置，如图8所示，现结合具体实例详述如下：

(1)根据如下公式，定义扫描角度分辨率为0.01度，倾斜角为α=45度时，水平角度为90度，水平角度360度，此时点云总数为324百万个点，并设置当前激光发射率1MHz，总扫描时间为5.4Min，水平线扫描时间为0.09s，垂直方向转速为666r／min，水平方向转速为0.18r／min；

(2)一维测距传感器与嵌入式控制单元通过RS422通信，数据传输的波特率1Mbps，根据传感器的通讯帧协议，嵌入式控制单元发送一条读取单次测量距离的消息帧0x010x030x000x0F0x000x020xF40x08，测量正常则同时测距传感器也会返回消息响应，从中获得测距值；

(3)嵌入式控制单元通过改变直驱电机驱动器上接口电平信号的变换，电平信号设置为1，两个直驱电机均正转，控制PWM信号输出的占空比，实现两个直驱电机所需的转速，并根据速度信息用PID调节器控制两个直驱电机的转速和转向，三维扫描转动时圆光栅与电机同速旋转，由光电检测器发出计数脉冲，用于三维扫描的脉冲测量。在两轴转台的位置控制中，通过QEPA和QEPB输入差分信号A、B转换后的脉冲信号，定义QDECCTL寄存器模式为递增模式下，根据得到当前的脉冲数与之前的脉冲数相减，即得到相对于前一时刻的角度数据。由如下公式，算的两维各自的角度值，此时一圈圆光栅的脉冲总数为154400个，零位脉冲信号Z给出圆光栅的绝对零位位置，根据该信号的上升沿作为测量基准进入零位信号中断程序，中断程序中给QEP计数器QPOSCNT清零，每次过零位脉冲时都清零一次，方便下一次三维扫描设备转动的角度测量；

(4)扫描头开始逐点逐圈的扫描，当每获取当前距离数据时，嵌入式控制单元进入测距中断，获取当前的两个角度值，如此进行一圈圈扫描，可获得水平视场360度和俯仰视场为2α的扫描点的顶点角、方位角和距离信息；

(5)嵌入式控制单元利用TCP／IP协议栈的网络接口芯片以太网传输扫描点的顶点角、方位角和距离信息，先将三者数据按协议进行组包，通信协议如下，命令符：由1个英文字符组成；分隔符："，"；参数字符串：可变长；结束符："."。如点云数据，则定义为：DA，lengthl，angle，angle…lengthn，angle，angle.然后根据此协议传输至上位机，在上位机上由三维激

光角点坐标的计算公式得到俯仰视场为2α的扫描点的三维信息，则停止扫描，系统复位。

本发明通过控制直驱电机上高分辨率的编码器实现方向角和俯仰角的位姿测量，同时控制测距单元发射激光的频率，使得每个点间的角度很小，同一角度范围内获得点数变多，从而提高了三维扫描测量精度；扫描头与激光雷达测距传感器位置上独立，方便于激光测距传感器的更换、旋转装置的控制，轴驱动单元的两轴直接由两直驱电机控制，减少中间传动机构，从而减小了扫描装置的体积，实现其小巧化易携带。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三维激光扫描方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)在垂直扫描面中以扫描头的激光发射中心点为扫描原点建立三维坐标系；具体包括：沿方位轴方向建立Z轴；在水平扫描面内穿过所述扫描原点并与所述Z轴垂直方向建立Y轴；根据右手定理在穿过扫描原点平行于水平扫描面且与所述垂直扫描面垂直方向建立X轴；

(2)根据圆光栅脉冲计数获得扫描头绕方位轴旋转的角度θ和扫描头绕顶点轴旋转的角度Φ；并根据扫描头的顶点轴与方位轴之间的夹角α和所述扫描头绕顶点轴旋转的角度Φ获得扫描头的俯仰角β,0<α<90°，0≤θ≤360°，0≤Φ≤360°，-α≤β≤+α；

(3)根据一维激光测距传感器到被测物体表面的距离R、激光扫描起点与扫描原点之间的距离r、所述扫描头绕方位轴旋转的角度θ和所述俯仰角β获得三维激光角点在所述三维坐标系中的坐标值x＝(R-r)cosβcosθ、y＝(R-r)cosβsinθ、z＝(R-r)sinβ。

2.如权利要求1所述的三维激光扫描方法，其特征在于，扫描头绕方位轴旋转的角度θ和扫描头绕顶点轴旋转的角度Φ均根据公式获得；其中为扫描头绕方位轴旋转的角度θ或扫描头绕顶点轴旋转的角度Φ，P₀为当前圆光栅脉冲计数个数，P为一圈圆光栅脉冲总数。

3.一种三维激光扫描装置，包括扫描头(1)、轴驱动单元(2)、测距单元(3)以及与所述轴驱动单元(2)和所述测距单元(3)连接的控制模块；其特征在于，所述扫描头(1)包括反光镜(11)、轴承(12)、激光孔(13)和机械支架(14)；所述机械支架(14)包括横向支架(141)、纵向支架(142)和方位支座(143)，所述反光镜(11)和所述激光孔(13)通过所述横向支架(141)固定在所述轴承(12)上，所述纵向支架(142)固连于所述横向支架(141)上，所述轴承(12)与所述方位支座(143)成α角设置；所述α角小于90度；

所述轴驱动单元(2)包括方位直驱电机(21)、顶点直驱电机(22)、方位驱动轴(23)、顶点驱动轴(24)、方位圆光栅(25)和顶点圆光栅(26)；所述顶点驱动轴(24)位于方位驱动轴(23)内，两者构成同心轴结构；顶点直驱电机(22)与所述顶点驱动轴(24)连接，用于驱动顶点驱动轴(24)运动；顶点圆光栅(26)与所述顶点直驱电机(22)连接，用于获得顶点驱动轴(24)旋转的脉冲计数个数；方位直驱电机(21)与所述方位驱动轴(23)连接，用于驱动所述方位驱动轴(23)运动；方位圆光栅(25)与所述方位直驱电机(21)连接，用于获得方位驱动轴(23)旋转的脉冲计数个数；

所述测距单元(3)包括一维激光测距传感器(31)、可调支架(32)和连接件(33)；连接件(33)用于连接所述测距单元(3)与所述轴驱动单元(2)；所述可调支架(32)的一端固定在所述测距单元(3)底部，所述可调支架(32)的另一端与一维激光测距传感器(31)连接，通过可调支架(32)调节所述一维激光测距传感器(31)的位置使得一维激光测距传感器(31)发射的激光能从所述轴驱动单元(2)的轴心射出。

4.如权利要求3所述的三维激光扫描装置，其特征在于，所述方位支座(143)为空心圆柱体结构，中心设置有通孔，所述通孔用于使所述顶点驱动轴(24)通过。

5.如权利要求3所述的三维激光扫描装置，其特征在于，所述方位驱动轴(23)和所述顶点驱动轴(24)均为空心轴，所述空心轴用于传输激光光束。

6.如权利要求3-5任一项所述的三维激光扫描装置，其特征在于，所述控制模块包括电机驱动单元(4)和嵌入式控制单元(5)；所述嵌入式控制单元(5)的第一控制端与所述一维激光测距传感器(31)连接，所述嵌入式控制单元(5)的第二控制端与电机驱动单元(4)的输入控制端连接，电机驱动单元(4)的输出控制端与所述轴驱动单元(2)连接。