CN105116922B - 一种三维激光扫描装置控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维激光扫描装置的控制系统，包括激光测距模块、电源模块、处理器模块、电机驱动及细分模块、机械旋转及扫描机构、角度反馈模块、网络传输模块与上位机。本控制系统集激光扫描控制、数据传输、数据可视化等功能于一体，能够操控三维激光扫描装置准确地获得空间的三维场景信息，进而真实立体地重现物理场景，同时实现了扫描装置下位机与上位机的互动，操作人员可通过上位机向扫描装置下位机发送控制命令设置扫描分辨率和扫描模式等参数。上位机接收扫描装置下位机发来的点云数据，并进行降噪、平滑、可视化等处理。本发明所公开的控制系统具有可行性强、成本低廉和方便联网的特点。

Description

一种三维激光扫描装置控制系统

技术领域

本发明属于控制工程与控制系统设计技术领域，更具体地，涉及一种三维激光扫描装置控制系统。

背景技术

三维激光扫描测量技术是近些年来发展迅速的一门空间测量技术，被誉为测绘技术领域的一项技术革命。三维激光扫描技术能够快速准确地获取场景空间点的三维坐标，进而完全复现真实的物理世界，所以也被称为“实景复制技术”。相较于传统的逐点采集空间点坐标的方法，三维激光扫描具有精度高、采集速度快、智能化扫描和海量测量点的特点，将三维激光扫描技术应用到工程勘探测量、数字导航、场景可视化和逆向工程等工程实践中，弥补了传统测量手段工作量大、操作繁复和测量误差不易控制等缺陷，改善了测量人员的作业环境，极大程度地提高了空间点的采集效率和质量。由于可以自动化和智能化扫描测量，人员干预并不是必须的，所以对于狭窄空间和危险场合等不易直接测量的情况，三维激光扫描具有传统测量技术不可比拟的优势。

三维激光扫描技术的诞生与发展也给空间几何学、测绘学、计算机图形学等领域带来新的发展契机，具有深远的意义。同时，三维激光扫描技术还处在不断探索的阶段，无论是扫描装置的小型化、低成本化和智能化过程，以及测量误差的控制措施，都需要长时间地探索与沉淀。

目前，对三维激光扫描装置控制系统的研究尚处于起步阶段，因此，三维激光扫描设备领域亟需一套完善的、便于操控的控制系统，以便实现对三维激光扫描设备的精确控制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种应用在三维激光扫描装置上的控制系统，从而实现对三维激光扫描装置进行快速、精确控制的控制。

为实现上述目的，本发明提供了一种三维激光扫描装置控制系统，包括激光测距模块、电源模块、处理器模块、电机驱动及细分模块、机械旋转及扫描机构、角度反馈模块、网络通信模块以及上位机，其中：

所述激光测距模块、电源模块、处理器模块、电机驱动及细分模块、机械旋转及扫描机构、角度反馈模块和网络通信模块构成整个控制系统的下位机，上位机与下位机按照约定的通信协议传输报文，进行全双工通信；

所述激光测距模块可发射激光束并接收反射回波，用于测量激光发射点到目标反射点的距离；

所述机械旋转及扫描机构由两路电机和反射光路组成，两路电机分别垂直与水平安装；两路电机带动反射光路进行三维旋转，运动中的反射光路持续反射静止的激光测距模块发射的激光束，出射光束的方向不断变化，从而将激光测距模块发射的一维激光束转换成三维扫描式激光束；

所述电机驱动及细分模块用于驱动电机运转，控制电机的转速和转向；

所述角度反馈模块用于测量机械旋转及扫描机构的水平旋转角和竖直旋转角；

所述网络通信模块与处理器模块相连，是上位机与下位机通信的枢纽，该模块具有判断设备地址和选择路径的功能，用于将收到的报文转发给指定地址的设备；

所述处理器模块是整个控制系统下位机的核心器件，用于完成对激光测距模块输出的距离数据和角度反馈模块输出的角度数据的读取；处理器模块在读取角度反馈模块的输出的角度信息和激光测距模块输出的距离数据后计算激光束目标反射点的坐标，此外，处理器模块还向电机驱动及细分模块输出PWM控制信号控制电机的转速和转向；

所述电源模块，用于满足控制系统中各个部件的对电源的不同需求，向它们提供电源；

所述上位机实现点云数据接收、点云数据显示、点云数据存储并对接收到的扫描点云数据进行降噪、平滑预处理操作，上位机同时可向下位机发送控制命令，设置扫描分辨率和扫描模式参数。

本发明的一个实施例中，所述处理器模块用于控制和协同下位机其他模块的工作，处理器片内资源丰富且带有浮点运算单元，适合扫描系统既需要实时快速控制，又要求浮点运算的情况。

本发明的一个实施例中，所述激光测距模块发射的激光是对人眼安全的1级激光。

本发明的一个实施例中，所述机械旋转及扫描机构中的两路电机均采用步进电机。

本发明的一个实施例中，所述电机驱动及细分模块用于接收处理器模块输出的脉冲信号，电机驱动及细分模块每接收到一个脉冲信号就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度内部电力电子模块用于将控制信号转换成电机的功率驱动信号，处理器模块通过控制输出的脉冲信号的个数来控制步进电机的角位移量，电机驱动及细分模块自带细分功能,细分使得电机绕组的相电流缓慢变化，可直接改善电机运行时的振动和噪音，提高电机运行的稳定性。

本发明的一个实施例中，所述网络通信模块中传输的是高频信号，需要增加电磁屏蔽装置来提高抗干扰能力。

本发明的一个实施例中，所述电源模块采用交直流隔离变压装置和一些直流变压芯片将市电转换成控制系统中各个部件需要的电压。

本发明的一个实施例中，所述上位机实现数据接收、数据显示、数据存储并能够对数据进行降噪、平滑预处理操作，完成三维场景重建，上位机同时可向三维激光扫描仪发送控制命令，设置扫描分辨率和扫描模式参数。

本发明的一个实施例中，所述网络通信模块用于将三维激光扫描装置控制系统下位机获得的点云数据传输给上位机，由上位机完成三维场景重建，同时，还将上位机发送的命令报文传输给下位机。

本发明的一个实施例中，所述上位机在与下位机通信时遵循一种自定义的网络通信协议。

总体而言，本发明提供的三维激光扫描装置控制系统结合了嵌入式技术和激光测距的优点，实现方法灵活，网络传输方式满足了网络化实时高速信息提取和传输的要求。该系统采样速率高、成本低廉、使用简单、操作安全，能够快速准确地获取空间场景的三维可视化模型，避免了传统扫描系统中存在着劳动强度大、数据采集慢、数据处理时间长、计算准确度低及数据不能直接输出到其它系统等问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的三维激光扫描装置控制系统的整体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的三维激光扫描装置控制系统中上位机与下位机的通信示意图；

图3是本发明实施例提供的多个扫描仪协同扫描复杂场景，同时与上位机通信的的结构框图；

图4是本发明实施例提供的三维激光扫描装置控制系统中下位机的工作流程图；

图5是本发明实施例提供的三维激光扫描装置控制系统中上位机的工作流程图。

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。

如图1所示，所述控制系统包括激光测距模块、电源模块、处理器模块、电机驱动及细分模块、机械旋转及扫描机构、角度反馈模块、网络通信模块、上位机，其中：

所述激光测距模块、电源模块、处理器模块、电机驱动及细分模块、机械旋转及扫描机构、角度反馈模块和网络通信模块构成整个控制系统的下位机，上位机与下位机按照约定的通信协议传输报文，进行全双工通信；

所述激光测距模块可发射激光束并接收反射回波，用于测量激光发射点到目标反射点的距离，激光测距模块发射的激光是对人眼安全的1级激光。该模块具备测量频率高，测距精度高，抗干扰能力强和操作简单的特点；

所述处理器模块作为逻辑控制与数据运算核心，用于控制和协同下位机其他模块的工作，处理器片内资源丰富且带有浮点运算单元，适合扫描系统既需要实时快速控制，又要求浮点运算的情况；

所述机械旋转及扫描机构由两路电机和反射光路组成，两路电机带动反射光路进行三维旋转，运动中的反射光路持续反射静止的激光测距模块发射的激光束，出射光束的方向不断变化，从而将激光测距模块发射的一维激光束转换成三维扫描式激光束；

所述机械旋转及扫描机构中的电机采用步进电机，步进电机的输出扭矩大，转速平稳，控制方便。两路电机分别垂直与水平安装；

所述电机驱动及细分模块用于驱动电机运转，控制电机的转速和转向；该模块接收处理器模块输出的脉冲信号，电机驱动及细分模块每接收到一个脉冲信号就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，处理器模块通过控制输出的脉冲信号的个数来控制步进电机的角位移量。电机驱动及细分模块自带细分功能,细分使得电机绕组的相电流缓慢变化，可直接改善电机运行时的振动和噪音，提高电机运行的稳定性。

所述角度反馈模块用于测量机械旋转及扫描机构的水平旋转角和竖直旋转角；

所述网络通信模块与处理器模块相连，是上位机与下位机通信的枢纽，该模块具有判断设备地址和选择路径的功能，可将收到的报文转发给指定地址的设备；

所述网络通信模块将三维激光扫描装置控制系统下位机获得的大量点云数据传输给上位机，由上位机完成三维场景重建，同时，还将上位机发送的命令报文传输给下位机，网络通信模块有足够的带宽和数据传输速度。

所述处理器模块是整个控制系统下位机的核心，它完成对激光测距模块输出的距离数据和角度反馈模块输出的角度数据的读取，处理器模块在读取角度反馈模块的输出的角度信息和激光测距模块输出的距离数据后计算激光束目标反射点的坐标。此外，处理器模块还向电机驱动及细分模块输出PWM控制信号控制电机的转速和转向；

所述电源模块，用于满足控制系统中各个部件的对电源的不同需求，向它们提供电源。所述电源模块采用交直流隔离变压装置和一些直流变压芯片将市电转换成控制系统中各个部件需要的电压。

所述上位机实现点云数据接收、点云数据显示、点云数据存储并能够对接收到的扫描点云数据进行降噪、平滑等预处理操作，上位机同时可向下位机即发送控制命令，设置扫描分辨率和扫描模式等参数。

下面将参照图2来具体描述三维激光扫描装置控制系统中下位机与上位机的通信过程。

网络通信模块要将三维激光扫描装置获得的大量点云数据传输给上位机，上位机软件实现点云数据接收、点云数据显示、点云数据存储并能够对接收到的扫描点云数据进行降噪、平滑等预处理操作，由上位机完成三维场景重建，上位机同时可向三维激光扫描仪发送控制命令，设置扫描分辨率和扫描模式等参数。网络通信模块需要有足够的带宽和数据传输速度，并能够按照约定的通信协议与上位机进行全双工通信。

如图3所示，在面对大型的复杂空间场景，又需要快速获取其三维可视化点云数据时，可同时使用多个三维激光扫描仪扫描空间场景的各个不同的部分，它们既相互独立，又相互配合，共同完成一个场景的扫描任务。各个扫描仪下位机都有唯一的网络地址，与路由器连接，一台或者多台上位机连接到路由器后，可对各个扫描仪下位机分别进行控制并接收扫描数据，上位机分别接收完各个扫描仪上传的数据后，进行三维场景的拼接即可获得一个完整的空间场景三维模型，这种多扫描仪协同工作的扫描方式充分利用了本发明提供的三维激光扫描装置控制系统方便联网的特点，极大地提高了数据采集的效率。

下面将参照图4来具体描述下位机的工作流程。

首先，处理器上电后首先对中断、定时器、PWM输出和捕获接口这些片内资源进行初始化，此外还要对网络通信模块和电机驱动及细分模块这些外围设置进行初始化操作，设置它们的默认参数；接着，等待上位机发来建立通信链路的指令，收到指令后与上位机建立通信链路并等待上位机发来控制命令报文，收到控制命令报文后将据此设定扫描分辨率和扫描模式，在进一步收到开始扫描指令后，装置启动开始对空间场景进行三维扫描，处理器在获得数据并存入缓冲区的同时将数据发送给上位机；如果在扫描过程中收到停止扫描命令报文，扫描装置将立即停止扫描，将最后一批数据发送给上位机后回到起始零位，如果没有收到停止扫描命令报文，将在水平扫描满360度后自动停止并回归起始零位。

下面将参照图5中来具体描述上位机的工作流程。

首先，创建界面主线程并进入事件循环，在主线程收到参数设置信号后，向下发送进行参数设置的控制命令报文，等待下位机的响应；主线程收到开始扫描信号后，向下发送开始扫描命令报文并创建接收数据子线程，在子线程中接收扫描装置发送来的数据并存储在缓冲区，在收到最后一批扫描数据后，关闭接收数据子线程；主线程在收到点云显示信号后，将收到的数据按照各自的三维坐标显示在界面上，在收到点云保存信号后，将把收到的数据打包成文件存储在磁盘中。

总体而言，本发明所提供的三维激光扫描装置控制系统结合了嵌入式技术和激光测距传感器的优点，实现方法灵活，网络传输方式满足了网络化实时高速信息提取和传输的要求。该系统采样速率高、成本低廉、使用简单、操作安全，能够快速准确地获取空间场景的三维可视化模型，避免了传统扫描系统中存在着劳动强度大、数据采集慢、数据处理时间长、计算准确度低及数据不能直接输出到其它系统等问题。

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 (10)

1.一种三维激光扫描装置控制系统，其特征在于，所述控制系统包括激光测距模块、电源模块、处理器模块、电机驱动及细分模块、机械旋转及扫描机构、角度反馈模块、网络通信模块以及上位机，其中：

所述激光测距模块、电源模块、处理器模块、电机驱动及细分模块、机械旋转及扫描机构、角度反馈模块和网络通信模块构成整个控制系统的下位机，上位机与下位机按照约定的通信协议传输报文，进行全双工通信；

所述激光测距模块可发射激光束并接收反射回波，用于测量激光发射点到目标反射点的距离；

所述机械旋转及扫描机构由两路电机和反射光路组成，两路电机分别垂直与水平安装；两路电机带动反射光路进行三维旋转，运动中的反射光路持续反射静止的激光测距模块发射的激光束，出射光束的方向不断变化，从而将激光测距模块发射的一维激光束转换成三维扫描式激光束；

所述电机驱动及细分模块用于驱动电机运转，控制电机的转速和转向；

所述角度反馈模块用于测量机械旋转及扫描机构的水平旋转角和竖直旋转角；

所述网络通信模块与处理器模块相连，是上位机与下位机通信的枢纽，该模块具有判断设备地址和选择路径的功能，用于将收到的报文转发给指定地址的设备；

多个下位机分别用于扫描空间场景的各个不同的部分；各下位机都有唯一的网络地址，与路由器连接，一台或者多台上位机连接到路由器后，可对各个下位机分别进行控制并接收扫描数据，上位机分别接收完各个扫描仪上传的数据后，进行三维场景的拼接即可获得一个完整的空间场景三维模型；

所述处理器模块是整个控制系统下位机的核心器件，用于完成对激光测距模块输出的距离数据和角度反馈模块输出的角度数据的读取；处理器模块在读取角度反馈模块的输出的角度信息和激光测距模块输出的距离数据后计算激光束目标反射点的坐标，此外，处理器模块还向电机驱动及细分模块输出PWM控制信号控制电机的转速和转向；

所述电源模块，用于满足控制系统中各个部件的对电源的不同需求，向它们提供电源；

所述上位机实现点云数据接收、点云数据显示、点云数据存储并对接收到的扫描点云数据进行降噪、平滑预处理操作，上位机同时可向下位机发送控制命令，设置扫描分辨率和扫描模式参数。

2.根据权利要求1所述的三维激光扫描装置控制系统，其特征在于，所述处理器模块用于控制和协同下位机其他模块的工作，处理器片内资源丰富且带有浮点运算单元，适合扫描系统既需要实时快速控制，又要求浮点运算的情况。

3.根据权利要求1或2所述的三维激光扫描装置控制系统，其特征在于，所述激光测距模块发射的激光是对人眼安全的1级激光。

4.根据权利要求1或2所述的三维激光扫描装置控制系统，其特征在于，所述机械旋转及扫描机构中的两路电机均采用步进电机。

5.根据权利要求1或2所述的三维激光扫描装置控制系统，其特征在于，所述电机驱动及细分模块用于接收处理器模块输出的脉冲信号，电机驱动及细分模块每接收到一个脉冲信号就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度， 内部电力电子模块用于将控制信号转换成电机的功率驱动信号，处理器模块通过控制输出的脉冲信号的个数来控制步进电机的角位移量，电机驱动及细分模块自带细分功能,细分使得电机绕组的相电流缓慢变化，可直接改善电机运行时的振动和噪音，提高电机运行的稳定性。

6.根据权利要求1或2所述的三维激光扫描装置控制系统，其特征在于，所述网络通信模块中传输的是高频信号，需要增加电磁屏蔽装置来提高抗干扰能力。

7.根据权利要求1或2所述的三维激光扫描装置控制系统，其特征在于，所述电源模块采用交直流隔离变压装置和一些直流变压芯片将市电转换成控制系统中各个部件需要的电压。

8.根据权利要求1或2所述的三维激光扫描装置控制系统，其特征在于，所述上位机实现数据接收、数据显示、数据存储并能够对数据进行降噪、平滑预处理操作，完成三维场景重建，上位机同时可向三维激光扫描仪发送控制命令，设置扫描分辨率和扫描模式参数。

9.根据权利要求1或2所述的三维激光扫描装置控制系统，其特征在于，所述网络通信模块用于将三维激光扫描装置控制系统下位机获得的点云数据传输给上位机，由上位机完成三维场景重建，同时，还将上位机发送的命令报文传输给下位机。

10.根据权利要求1或2所述的三维激光扫描装置控制系统，其特征在于，所述上位机在与下位机通信时遵循一种自定义的网络通信协议。