CN105866793A - 基于2d激光雷达的便携式三维扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于2D激光雷达的便携式三维扫描装置，包括2D激光雷达、微控制器、步进电机、电机驱动器、编码器、串口通信板、供电电源、导电滑环和PC机；编码器的输出端和2D激光雷达的同步信号端连接微控制器的数据输入端，微控制器的数据输出端连接串口通信板的输入端，微控制器的控制端连接电机驱动器的输入端，电机驱动器的输出端连接步进电机的输入端，串口通讯板的数据输出端通过USB集线器连接PC机，2D激光雷达的数据输出端通过导电滑环和USB集线器连接PC机，电机驱动器的电源端和2D激光雷达的电源端连接供电电源；本发明装置构成合理、简洁，使用便捷，可以快速地进行三维扫描，成本低、操作简单、使用方便。

Description

基于2D激光雷达的便携式三维扫描装置

技术领域

本发明属于三维重建技术领域，具体涉及一种基于2D激光雷达的便携式三维扫描装置。

背景技术

三维重建技术可以在计算机中逼真地建立客观世界的虚拟信息空间，生成具有重要价值的三维形状信息。通过对这些三维形状信息分析、挖掘、检索和高效利用，可以满足例如数字工厂、数字城市、数字矿山、文物重建、灾情预警等许多重大应用的需求。目前主流的三维重建技术根据硬件使用的不同主要分为两类。一类是利用数字相机拍摄多个视角的图像来进行三维重建。这种重建技术首先要对相机进行标定，然后利用多个二维图像中的信息重建出三维信息。但是由于相机拍摄受光照的影响很大，在实际应用过程中遇到光线昏暗的环境，会严重影响最终的重建效果。第二类是基于LiDAR/Kinect等深度传感器的三维重建。其中基于Kinect的三维重建应用比较多，其主要适用于室内场景的三维重建，但是其测量精度与测量范围都逊色于激光传感器，无法应用于大范围的室外场景重建。激光传感器的优势是精度高，对光照不敏感，国内传统的基于激光雷达的三维重建技术首先需要提前进行现场勘查，根据扫描目标以及周围环境预先设定好几个扫描站，然后在选好扫描站上架设激光扫描仪，扫描一定时间后将数据进行离线处理生成三维模型。整个过程耗费人力、时间，并且扫描仪器价格不菲，同时体积较大不易于携带。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于2D激光雷达的便携式三维扫描装置。

本发明的技术方案是：

基于2D激光雷达的便携式三维扫描装置，包括运动控制单元和PC机；

所述运动控制单元，包括2D激光雷达、微控制器、步进电机、电机驱动器、编码器、串口通信板、供电电源、导电滑环和PC机；

所述编码器的输出端和2D激光雷达的同步信号端连接微控制器的数据输入端，所述微控制器的数据输出端连接串口通信板的输入端，所述微控制器的控制端连接电机驱动器的输入端，所述电机驱动器的输出端连接步进电机的输入端，所述串口通讯板的数据输出端通过USB集线器连接PC机，所述2D激光雷达的数据输出端通过导电滑环和USB集线器连接PC机，所述电机驱动器的电源端和2D激光雷达的电源端连接供电电源；

所述2D激光雷达通过螺栓固定于激光支架上，所述激光支架通过螺母连接有一个连接轴，所述激光支架的连接轴通过联轴器连接步进电机的机轴前端，所述编码器固定于步进电机的机轴后端，所述导电滑环固定于激光支架的连接轴上。

优选地，所述电机驱动器，用于通过微控制器的控制信号控制步进电机转动；

所述步进电机，用于由电机驱动器控制转动，控制激光支架以及2D激光雷达转动；

所述2D激光雷达，用于在步进电机控制下旋转，测量激光与目标物之间的距离ρ，并将激光与目标物之间的距离ρ和激光束夹角θ发送至PC机，并发送脉冲信号至微控制器；

所述编码器，用于通过步进电机的转动记录激光的旋转角度并传送至微控制器；

所述微控制器，用于发送控制信号至电机驱动器，并在采集到2D激光雷达的脉冲信号时读取编码器测量的激光旋转角度将编码器测量的激光旋转角度发送至PC机；

所述串口通信板，用于实现PC机与微控制器之间的通讯；

所述PC机，用于根据读取编码器测量的激光旋转角度激光与目标物之间的距离ρ和激光束夹角θ将目标物的2D扫描距离转换为3D点云；

所述供电电源，用于为电机驱动器和2D激光雷达提供12V直流电源；

所述导电滑环，用于实现当2D激光雷达连续旋转时数据输出线与PC机的连接。

本发明的有益效果：

本发明提出一种基于2D激光雷达的便携式三维扫描装置，本发明装置构成合理、简洁，使用便捷，运用基于2D激光雷达的便携式三维扫描装置可以快速地进行三维扫描，成本低、操作简单、使用方便。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中基于2D激光雷达的便携式三维扫描装置的结构框图；

图2为本发明具体实施方式中基于2D激光雷达的便携式三维扫描装置的运动控制单元的机械结构图；

其中，1-2D激光雷达，2-微控制器，3-步进电机，4-电机驱动器，5-编码器，6-串口通信板，7-激光支架，8-联轴器，9-导电滑环；

图3为本发明具体实施方式中激光支架的结构示意图；

其中，71-激光底座固定孔，72-连接轴固定孔，73-激光出线孔，74-散热孔；

图4为本发明具体实施方式中运动控制单元硬件连接示意图；

图5为本发明具体实施方式中PC机与运动控制单元的硬件连接示意图；

图6为本发明具体实施方式中三维点云生成示意图；

(a)为2D激光雷达扫描时激光与目标物之间的距离ρ和激光束夹角θ；

(b)为2D激光雷达旋转时的激光旋转角度

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

一种基于2D激光雷达的便携式三维扫描装置，如图1所示，包括运动控制单元和PC机。

运动控制单元包括2D激光雷达1、微控制器2、步进电机3、电机驱动器4、编码器5、串口通信板6、供电电源、导电滑环9和PC机。

编码器5的输出端和2D激光雷达1的同步信号端连接微控制器2的数据输入端，微控制器2的数据输出端连接串口通信板6的输入端，微控制器2的控制端连接电机驱动器4的输入端，电机驱动器4的输出端连接步进电机3的输入端，串口通讯板6的数据输出端通过USB集线器连接PC机，2D激光雷达的数据输出端通过导电滑环9和USB集线器连接PC机，电机驱动器4的电源端和2D激光雷达1的电源端连接供电电源。

本实施方式中，运动控制单元的机械机构图如图2所示。

2D激光雷达1通过螺栓固定于激光支架7上，激光支架7通过螺母连接有一个连接轴，驱动电机机轴方向即为激光旋转轴方向。激光支架7的连接轴通过联轴器8连接步进电机3的机轴前端，编码器5固定于步进电机3的的机轴后端。2D激光雷达1的激光扫描平面距离2D激光雷达1底部约60.5mm，连接轴位于激光扫描平面正中央位置，导电滑环9固定于激光支架7的连接轴上。

本实施方式中，激光支架7的结构示意图如图3所示。

激光支架7上设置有4个激光底座固定孔71用于固定2D激光雷达1，激光支架7下端设置有16个散热孔74，激光支架7上端设置有连接轴固定孔72，通过螺母固定连接轴，激光支架7下端设置有激光出线孔73，2D激光雷达1的数据输出线穿过激光出线孔73连接导电滑环9。

由于激光工作时处于360度连续旋转状态，本装置还包括导电滑环9，导电滑环9固定于激光支架7的连接轴上，用于实现2D激光雷达1的数据输出线与PC机的连接。

本实施方式中，导电滑环9为过孔式导电滑环9固定在激光支架7连接轴上，型号为SNH012-12S，用于解决当2D激光雷达1连续旋转时数据输出线与电源线缠绕的问题。

电机驱动器4，用于通过微控制器2的控制信号控制步进电机3转动。

本实施方式中，电机驱动器4的型号为HST-8325B。可以通过调整拨钮开关的位置选择1～128细分精度，本实施例使用64细分，它的A+、A-、B+、B-端口分别连接两相四线制步进电机3的A相、A’相、B相、B’相，它的VDC和GND端口分别连接供电电池的正负极，它的光耦信号驱动端VCC通过串口通讯板6的+5V端口供电。

步进电机3，用于由电机驱动器4控制转动，控制激光支架7以及2D激光雷达1转动。

本实施方式中，步进电机3为双出轴步进电机，型号为42BYGH4812。

2D激光雷达1，用于在步进电机3控制下旋转，测量激光与目标物之间的距离ρ，并将激光与目标物之间的距离ρ和激光束夹角θ发送至PC机，并发送脉冲信号至微控制器2。

本实施方式中，2D激光雷达1的型号为UTM-30LX。

编码器5，用于通过步进电机3的转动记录激光的旋转角度并传送至微控制器2。

本实施方式中，编码器5的型号为HEDL-5540。编码器5为两相1000线编码器，它的正负极分别连接串口通讯板6的+5V和GND端口进行供电。

微控制器2，用于发送控制信号至电机驱动器4，并在采集到2D激光雷达1的脉冲信号时读取编码器5测量的激光旋转角度将编码器5测量的激光旋转角度发送至PC机。

本实施方式中，微控制器2为32位ARM微控制器，型号为STM32F103RBT6。其内核是Corte-M3，集成了定时器、计数器、CAN、ADC、UART等多种功能，并且有A、B、C三个端口，每个端口16个管脚，如图4所示，本实施例中用到了它的8个管脚，其中，TX1、RX1、3.3V、GDN四个管脚分别连接串口通讯板6的RXD、TXD、3.3V、GND，PC4管脚连接电机驱动器4的脉冲信号端PUL，PA0管脚连接编码器5的信号线A，PB7管脚连接2D激光雷达1的脉冲信号线，PB9管脚连接一个自锁圆形按钮开关。

串口通信板6，用于实现PC机与微控制器2之间的通讯。

本实施方式中，串口通信板6的型号为USB-TTL-V2.02。

PC机，用于根据读取编码器5测量的激光旋转角度激光与目标物之间的距离ρ和激光束夹角θ将目标物的2D扫描距离转换为3D点云。

本实施方式中，PC机的型号为SurfacePro3。PC机与运动控制单元的硬件连接通过USB集线器实现，本实施方式中，USB集线器的型号为USB3.0 HUB，如图5所示。PC机通过一个USB3.0 HUB分别接收来自串口通讯板6的miniUSB发送的激光旋转角度2D激光雷达1USB接口的激光与目标物之间的距离ρ和激光束夹角θ，并将其进行同步融合生成3D点云。

装置三维点云生成示意图如图6所示。由(a)图可知，PC机通过从2D激光雷达1得到激光与目标物之间的距离ρ和激光束夹角θ，其中θ＝0.25*i*PI/180，i∈[0，1，2，...，719]，θ范围在0度到180度之间。该角度表示激光每次扫描打出的720条扫描射线分别与第一条扫描射线的夹角。以及由编码器5测量的激光旋转角度，可以将2D扫描距离转换为3D点云。其中(a)为二维扫描平面上一点A，(b)为该平面绕y轴方向旋转后得到A’，由此可以得到的是A′(x，y，z)的三维坐标公式如式(1)所示：

供电电源，用于为电机驱动器4和2D激光雷达1提供12V直流电源。

本实施方式中，供电电源的型号为YSN-1211000。

Claims (2)

1.一种基于2D激光雷达的便携式三维扫描装置，其特征在于，包括运动控制单元和PC机；

所述运动控制单元，包括2D激光雷达、微控制器、步进电机、电机驱动器、编码器、串口通信板、供电电源、导电滑环和PC机；

所述编码器的输出端和2D激光雷达的同步信号端连接微控制器的数据输入端，所述微控制器的数据输出端连接串口通信板的输入端，所述微控制器的控制端连接电机驱动器的输入端，所述电机驱动器的输出端连接步进电机的输入端，所述串口通讯板的数据输出端通过USB集线器连接PC机，所述2D激光雷达的数据输出端通过导电滑环和USB集线器连接PC机，所述电机驱动器的电源端和2D激光雷达的电源端连接供电电源；

所述2D激光雷达通过螺栓固定于激光支架上，所述激光支架通过螺母连接有一个连接轴，所述激光支架的连接轴通过联轴器连接步进电机的机轴前端，所述编码器固定于步进电机的机轴后端，所述导电滑环固定于激光支架的连接轴上。

2.根据权利要求1所述的基于2D激光雷达的便携式三维扫描装置，其特征在于，所述电机驱动器，用于通过微控制器的控制信号控制步进电机转动；

所述步进电机，用于由电机驱动器控制转动，控制激光支架以及2D激光雷达转动；

所述2D激光雷达，用于在步进电机控制下旋转，测量激光与目标物之间的距离ρ，并将激光与目标物之间的距离ρ和激光束夹角θ发送至PC机，并发送脉冲信号至微控制器；

所述编码器，用于通过步进电机的转动记录激光的旋转角度并传送至微控制器；

所述微控制器，用于发送控制信号至电机驱动器，并在采集到2D激光雷达的脉冲信号时读取编码器测量的激光旋转角度将编码器测量的激光旋转角度发送至PC机；

所述串口通信板，用于实现PC机与微控制器之间的通讯；

所述PC机，用于根据读取编码器测量的激光旋转角度激光与目标物之间的距离ρ和激光束夹角θ将目标物的2D扫描距离转换为3D点云；

所述供电电源，用于为电机驱动器和2D激光雷达提供12V直流电源；

所述导电滑环，用于实现当2D激光雷达连续旋转时数据输出线与PC机的连接。