CN106289098B - 三维激光扫描仪的旋转控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维激光扫描仪的旋转控制方法，具体步骤为：S1、所述三棱镜转动，角度反馈模块检测到所述三棱镜第一面即将进入有效角度前，反馈信号至所述单片机从而控制所述水平转台停止转动；S2、所述三棱镜继续转动，角度反馈模块检测到所述三棱镜第一面转过有效角度，处于无效角度时，反馈信号至所述单片机从而控制所述水平转台转动一个水平步进角后停止；S3、所述三棱镜继续转动，角度反馈模块检测到所述三棱镜第二面即将进入有效角度前，反馈信号至所述单片机从而控制所述水平转台停止转动，重复上述步骤至所述三棱镜转动一周。本发明由三棱镜的角度同步协调控制水平转台的旋转速度与旋转角度，以达到优化扫描仪点云的效果。

Description

三维激光扫描仪的旋转控制方法

技术领域

本发明涉及光学扫描技术领域，特别涉及一种三维激光扫描仪的旋转控制方法。

背景技术

随着自动化控制技术的发展，越来越多的旋转系统应用于我们的生活和工作中。在三维激光扫描设备中就需要两个轴的电动旋转机构，使每一束激光打在不同的空间位置。我们需要同时旋转水平旋转台与垂直三棱镜，并记录每一束激光的水平角度与垂直角度，结合距离就可以建立极坐标系从而解算出三维点云数据。因此速度均匀可调、运行平稳无抖动的两轴旋转机构在三维激光扫描仪中显得非常重要。

目前市面上的三维激光扫描仪存在以下问题：大部分电动旋转机构的控制部分都比较大，不便于集成到设备内部；电动旋转机构大多只有一个维度；目前的电动旋转机构的垂直旋转部分使用的是步进电机驱动，旋转速度不高；三维激光扫描仪的两轴旋转机构大多没有同步控制水平旋转部分与垂直旋转部分的转动，点云在一条直线上呈现随机性。

为了提高扫描效率，两个轴的旋转速度需要协调控制好，必须保证水平旋转台每旋转一个角度分辨率，垂直旋转三棱镜转过一面棱镜，这样既可以避免垂直旋转三棱镜旋转过快导致多面棱镜扫描的点对应同一水平角度造成点得浪费，同时也可以避免垂直旋转棱镜旋转过慢导致单面棱镜扫描的点不在一条竖直线上。

例如下表表示的是合理分配的水平旋转速度与垂直旋转速度后点云在一面棱镜上的示意值。

扫描点序号	1	2	3	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…
																	棱镜面序号	1	1	1	…	1	1	1	…	1	1	1	…	2	2	2	…
水平转台角度(°)	0.002	0.002	0.002	…	0.002	0.002	0.002	…	0.002	0.002	0.002	…	0.004	0.004	0.004	…
																	垂直出射光线角度(°)	-40.0	-39.9	-39.8	…	-0.1	0.0	+0.1	…	+59.8	+59.9	+60.0	…	-40.0	-39.9	-39.8	…

为达到上面的数据效果，还存在另外一个问题，虽然水平旋转速度与垂直旋转速度已经达到了协调的目的，但是水平与垂直两个旋转部件并没有在时间上保持同步，在垂直旋转的一面棱镜的工作时间内，水平旋转角分辨率随时可能发生变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维激光扫描仪的旋转控制方法，以解决现有技术中的中三维激光扫描仪的两轴旋转机构大多没有同步控制水平旋转部分与垂直旋转部分的转动，点云在一条直线上呈现随机性的技术问题。

本发明提供一种三维激光扫描仪的旋转控制方法，包括：支架、三棱镜和水平转台，所述三棱镜绕所述支架的水平轴线转动，所述水平转台绕所述支架的竖直轴线转动，具体步骤为：

S1、所述三棱镜转动，角度反馈模块检测到所述三棱镜第一面即将进入有效角度前，反馈信号至所述单片机从而控制所述水平转台停止转动；

S2、所述三棱镜继续转动，角度反馈模块检测到所述三棱镜第一面转过有效角度，处于无效角度时，反馈信号至所述单片机从而控制所述水平转台转动一个水平步进角后停止；

S3、所述三棱镜继续转动，角度反馈模块检测到所述三棱镜第二面即将进入有效角度前，反馈信号至所述单片机从而控制所述水平转台停止转动，重复上述步骤至所述三棱镜转动一周。

进一步地，所述三棱镜由直流电机带动，所述水平转台由步进电机带动，所述单片机能分别控制所述直流电机和步进电机的转速及转向。

进一步地，还包括与所述支架连接的转台，所述步进电机经过齿轮与所述转台驱动连接。

进一步地，所述直流电机和步进电机与所述单片机之间设置有用于绕组的相电流缓慢变化的细分模块。

进一步地，所述有效角度为－40°至60°。

进一步地，还包括与所述单片机连接的上位机，其用于数据接收、数据显示和数据存储。

进一步地，还包括与所述单片机相连的网络通信模块，所述网络通信模块将点云发送至所述上位机。

进一步地，所述网络通信模块外设置有电磁屏蔽层。

进一步地，还包括与所述直流电机和步进电机均连接的电源模块。

进一步地，所述电源模块与变压器连接。

本发明提供的三维激光扫描仪的旋转控制方法，具体步骤为：S1、所述三棱镜转动，角度反馈模块检测到所述三棱镜第一面即将进入有效角度前，反馈信号至所述单片机从而控制所述水平转台停止转动；S2、所述三棱镜继续转动，角度反馈模块检测到所述三棱镜第一面转过有效角度，处于无效角度时，反馈信号至所述单片机从而控制所述水平转台转动一个水平步进角后停止；S3、所述三棱镜继续转动，角度反馈模块检测到所述三棱镜第二面即将进入有效角度前，反馈信号至所述单片机从而控制所述水平转台停止转动，重复上述步骤至所述三棱镜转动一周。本发明由三棱镜的角度同步协调控制水平转台的旋转速度与旋转角度，以达到优化扫描仪点云的效果。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的三维激光扫描仪的旋转控制方法中的扫描仪的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的三维激光扫描仪的旋转控制方法中的三棱镜第一面转动至无效角度时的示意图；

图3是根据本发明实施例的三维激光扫描仪的旋转控制方法中的三棱镜第一面转动至－40°有效角度时的示意图；

图4是根据本发明实施例的三维激光扫描仪的旋转控制方法中的三棱镜第一面转动至60°有效角度时的示意图；

图5是根据本发明实施例的三维激光扫描仪的旋转控制方法的控制流程图；

图6是根据本发明实施例的三维激光扫描仪的旋转控制方法的控制框图。

图中：

1－直流电机；2－步进电机；3－转台；

4－水平转台；5－三棱镜；6－垂直光栅；

7－目标物体；8－激光。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图6所示，本发明提供的三维激光扫描仪的旋转控制方法包括：包括：支架、三棱镜5和水平转台4，所述三棱镜5绕所述支架的水平轴线转动即图1所示的水平轴线的方向为左右方向，还包括与三棱镜5同轴转动的垂直光栅6。所述水平转台4绕所述支架的竖直轴线转动，竖直方向为上下方向，水平转台4上设置有用于测量水平转台4转动角度或速度的水平光栅。具体步骤为：

S1、所述三棱镜5转动，角度反馈模块检测到所述三棱镜第一面即将进入有效角度前，反馈信号至所述单片机从而控制所述水平转台4停止转动；

S2、所述三棱镜5继续转动，角度反馈模块检测到所述三棱镜第一面转过有效角度，处于无效角度时，反馈信号至所述单片机从而控制所述水平转台转动一个水平步进角后停止；无效角度为激光出射光线方向与水平方向的夹角。

S3、所述三棱镜5继续转动，角度反馈模块检测到所述三棱镜第二面即将进入有效角度前，反馈信号至所述单片机从而控制所述水平转台停止转动，重复上述步骤至所述三棱镜5转动一周。三棱镜中的三个面中的任何一个面处于有效角度区域中时，水平转台4停止转动。

为使三维激光扫描仪的点云非常均匀，则需要两个轴的旋转速度合适。此三维激光扫描仪的测量过程为激光8以一定的角度射到三棱镜5上，经过三棱镜反射到目标物体7，在从目标物体7漫反射回到设备接收系统完成一次测量，如图3至图5所示，三棱镜5有三个镜面，相邻两个镜面之间的夹角均为60°，激光经三棱镜5反射的光线与水平转台4平面的夹角为反射角。激光8能射到设备进行测量的反射角为有效角，所述有效角度为－40°至60°。需要说明的是三棱镜5不仅仅局限于三棱镜也可以采用四棱镜或五棱镜等。有效角度根据不同的设备或棱镜也不仅仅局限于－40°至60°也可以是其他范围值的有效角度，如－35°至55°。三棱镜5在一周旋转过程中，三棱镜5的三个棱镜面能扫到的垂直角度是一样的，激光8经过三棱镜5以后会返回到设备内部时的反射角为无效角，处于－40°～+60°之外的角度为无效角的范围。

单片机统一控制，在三棱镜5的第一个面处于有效扫描角度时，水平转台4不动，当第一个面转过有效角度区域后旋转水平转台4一个水平步进角后停止，然后三棱镜5的第二面旋转到有效角度区域工作，当的第二面转过有效角度区域后，旋转水平转台4一个水平步进角后停止，然后三棱镜5的第三面进入有效区域，以此类推。使得三棱镜5的每个面扫描时水平角度不变，且相邻两个面之间的无效角度区间内转动一个水平步进角。本发明由三棱镜5的角度同步协调控制水平转台4的旋转速度与旋转角度，以达到优化扫描仪点云的效果。

本实施例中所述三棱镜5由直流电机1带动，所述水平转台4由步进电机2带动，所述单片机能分别控制所述直流电机和步进电机的转速及转向。还包括与所述支架连接的转台，所述步进电机经过齿轮与所述转台3驱动连接。水平旋转部分使用步进电机2驱动，驱动力矩稳定，经过减速比为270的齿轮传动机构减速，带动转台3转动，由高精度光栅提供实时角度信息。垂直旋转部分负载为三棱镜5和光栅较轻，不需要很大的旋转力矩，且需要提供高速匀速运转，于是选用小型无刷直流电机驱动，通过高精度光栅获取实时速度进行速度反馈调节，同时记录实时角度信息。

本实施例中所述直流电机和步进电机与所述单片机之间设置有用于绕组的相电流缓慢变化的细分模块。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。水平旋转驱动部分由单片机控制驱动芯片的启停、细分数设置、转向以及速度。由单片机输出不同频率的脉冲信号从而控制步进电机的转速，从而控制转台的转速。步进电机的力矩大小由芯片VREF引脚的电压决定，根据不同的电机或者不同载荷能力的转台可以适当调整分压电阻的值以改变VREF引脚的电压，电压增加输出力矩增加，反之亦然。另外当输入脉冲频率小于1.6Hz时，由于电机速度非常低，需要转化的机械能很少，所以芯片自动将DOWN引脚拉低，从而降低VREF引脚的电压以降低电机力矩，降低功耗。

垂直旋转部分由同一块单片机控制直流电机的启停，转向以及转速。转速由单片机控制DA转换芯片，输出0V～5V的模拟信号，输入给驱动芯片，电压越高，转速越快，反之亦然。

由于垂直旋转部分需要稳定高速的旋转，则一定需要进行速度闭环调节。此部分的闭环调节由单片机接收高精度光栅信号，转化为实时速度值，约每10ms利用PID算法进行一次实时调速，使得垂直旋转部分真实速度与设置速度保持在误差千分之三以内。

单片机内程序控制流程如图6。上电后单片进行初始化，初始化后等待上位机命令，若接收到指令，则进行指令解析，若是对步进电机进行操作，则根据对应指令对步进电机驱动芯片进行相应控制，在调节速度时，速度增加或者速度降低都需要进行匀加速或者匀减速以达到设定值；调节完成后返回查看是否有命令，无命令，则进行到下一步，PID调节利用外设对光栅信号进行计数，将计数值换算成速度值进行直流电机PID调节(若此时没有设置直流电机转速或者起转，则PID调节参数为0，即不会调节)；若之前有设置直流电机旋转以及转速，则按照需要旋转的速度进行PID调节)；一次调节完成，返回查看上位机是否发送指令，若有，则执行指令，若无则跳入PID调节，以此进行循环。步进电机驱动的脉冲信号采用外部自动重装定时器，不占用PID算法时间，保证PID调节作用的连续性。

为了增加调整精度，DA芯片使用12位高精度，增加调节速度时的分辨率；

在速度不同时，PID调节频率不一样，当旋转速度低时，PID调节频率低，当速度旋转高时，PID调节频率高，这样做得目的是为了保证电机旋转内一圈调节PID的次数一致，从而增加PID调节在不同速度下得适应能力。

本发明中还包括与所述单片机连接的上位机，其用于数据接收、数据显示和数据存储。所述上位机实现数完成三维场景重建，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。所述单片机用于控制和协同下位机其他模块的工作。

本实施例中还包括与所述单片机相连的网络通信模块，所述网络通信模块将点云发送至所述上位机。同时，还将上位机发送的命令报文传输给下位机。所述网络通信模块中传输的是高频信号，为了提高抗干扰能力，所述网络通信模块外设置有电磁屏蔽层。

本发明中还包括与所述直流电机和步进电机均连接的电源模块。所述电源模块与变压器连接。是将电池的电压转换为控制系统中各个部件需要的电压。

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。

本发明提供的三维激光扫描仪的旋转控制方法，具体步骤为：S1、所述三棱镜转动，角度反馈模块检测到所述三棱镜第一面即将进入有效角度前，反馈信号至所述单片机从而控制所述水平转台停止转动；S2、所述三棱镜继续转动，角度反馈模块检测到所述三棱镜第一面转过有效角度，处于无效角度时，反馈信号至所述单片机从而控制所述水平转台转动一个水平步进角后停止；S3、所述三棱镜继续转动，角度反馈模块检测到所述三棱镜第二面即将进入有效角度前，反馈信号至所述单片机从而控制所述水平转台停止转动，重复上述步骤至所述三棱镜转动一周。本发明由三棱镜的角度同步协调控制水平转台的旋转速度与旋转角度，以达到优化扫描仪点云的效果。

本发明提供的三维激光扫描仪的旋转控制方法，其中，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、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仪的旋转控制方法，其特征在于，包括：支架、三棱镜和水平转台，所述三棱镜绕所述支架的水平轴线转动，所述水平转台绕所述支架的竖直轴线转动，具体步骤为：

S1、所述三棱镜转动，角度反馈模块检测到所述三棱镜第一面即将进入有效角度前，反馈信号至单片机从而控制所述水平转台停止转动；

S2、所述三棱镜继续转动，角度反馈模块检测到所述三棱镜第一面转过有效角度，处于无效角度时，反馈信号至所述单片机从而控制所述水平转台转动一个水平步进角后停止；

S3、所述三棱镜继续转动，角度反馈模块检测到所述三棱镜第二面即将进入有效角度前，反馈信号至所述单片机从而控制所述水平转台停止转动，重复上述步骤至所述三棱镜转动一周。

2.根据权利要求1所述的三维激光扫描仪的旋转控制方法，其特征在于，所述三棱镜由直流电机带动，所述水平转台由步进电机带动，所述单片机能分别控制所述直流电机和步进电机的转速及转向。

3.根据权利要求2所述的三维激光扫描仪的旋转控制方法，其特征在于，还包括与所述支架连接的转台，所述步进电机经过齿轮与所述转台驱动连接。

4.根据权利要求2所述的三维激光扫描仪的旋转控制方法，其特征在于，所述直流电机和步进电机与所述单片机之间设置有用于绕组的相电流缓慢变化的细分模块。

5.根据权利要求1所述的三维激光扫描仪的旋转控制方法，其特征在于，所述有效角度为－40°至60°。

6.根据权利要求1所述的三维激光扫描仪的旋转控制方法，其特征在于，还包括与所述单片机连接的上位机，其用于数据接收、数据显示和数据存储。

7.根据权利要求6所述的三维激光扫描仪的旋转控制方法，其特征在于，还包括与所述单片机相连的网络通信模块，所述网络通信模块将点云发送至所述上位机。

8.根据权利要求7所述的三维激光扫描仪的旋转控制方法，其特征在于，所述网络通信模块外设置有电磁屏蔽层。

9.根据权利要求2所述的三维激光扫描仪的旋转控制方法，其特征在于，还包括与所述直流电机和步进电机均连接的电源模块。

10.根据权利要求9所述的三维激光扫描仪的旋转控制方法，其特征在于，所述电源模块与变压器连接。