CN106969724B - 一种自旋转十字线激光扫描的环境三维形貌感知装置 - Google Patents

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Abstract

针对现有技术中激光扫描速度慢、精度不高的问题，本发明提供一种自旋转十字线激光扫描的环境三维形貌感知装置，包括激光扫描装置和用于对激光扫描装置发出的光线进行竖直方向调节的焦点调整机构；所述的激光扫描装置包括旋转激光发生器和用于接收反射光的激光接收器，其中，所述的旋转激光发生器能够发出十字线激光并绕自身光轴旋转，从而对环境三维形貌进行扫描。本发明通过十字线激光器绕自身光轴旋转扫描，将待测物分为四象限，仅需将入射的十字线光源旋转90°就可以获得被扫描物体整个表面形貌的点云数据，实现被测物的三维形貌感知。

Description

一种自旋转十字线激光扫描的环境三维形貌感知装置
技术领域
本发明属于光扫描器和感测设备领域，具体涉及一种自旋转十字线激光扫描的环境三维形貌感知装置。
背景技术
传统的激光扫描测绘利用时间差法或三角法进行距离的测量，多借助线结构激光沿着水平或垂直方向扫描实现三维测量，受扫描精度和速度的制约，难以实现快速测量。
如图1，为三角法测距原理，激光发射端A发出的光经过透镜准直会聚后照射到被测对象表面的被测点B，被测点B反射光经过接收端透镜会聚后在激光接收端的光电传感器（CCD\CMOS等器件）上形成光斑。世界坐标系和像平面坐标系坐标轴平行，二者的原点和接收透镜的焦点共轴线，传感器上光斑像点坐标为E（u，v），激光接收端透镜焦距为f，激光器发射端A和激光接收端中心点C间距为P，被测量点到测量系统垂直距离为D，其水平面投影为D’，被测点到发射端和接收端中心点的距离为d，在水平基准面上激光光轴与x轴夹角为
Figure 972424DEST_PATH_IMAGE001
。根据三角形相似原理以及三角形几何尺寸关系，可以计算出被测表面上点到测量系统的距离D及到旋转中心的距离d。计算中使用到的像平面点坐标，可以通过传感器的敏感单元尺寸和像素坐标计算，并需要考虑像坐标系原点位置的偏移量。
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；/>
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；/>
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。
如图2，为传统的激光旋转扫描三维测量系统，通过测量激光线上各点到测量系统的距离，获得被测表面垂直或水平线上点云数据，通过系统绕旋转轴F转动，带动激光线沿着水平扫描，实现视角范围内的扫描成像。这样扫描的速度受到旋转速度和处理速度的限制，难以实现快速的测绘，同时旋转角度分辨率会影响到测量光线的间隔，限制三维形貌测绘的分辨率。
根据图1~2可知，激光扫描是利用三角法测距原理进行激光测距获得被测表面垂直或水平线上点云数据，但是激光旋转扫描测量系统难以实现快速的测绘，同时分辨率较低。
发明内容
针对现有技术中激光扫描速度慢、精度不高的问题，本发明提供一种自旋转十字线激光扫描的环境三维形貌感知装置，其结构简单、测量速度快。
所述的一种自旋转十字线激光扫描的环境三维形貌感知装置，包括激光扫描装置和用于对激光扫描装置发出的光线进行竖直方向调节的焦点调整机构；所述的激光扫描装置包括旋转激光发生器和用于接收反射光的激光接收器，其技术方案是：所述的旋转激光发生器能够发出十字线激光并绕自身光轴旋转，从而对环境三维形貌进行扫描。
进一步的，所述的旋转激光发生器由旋转机构和激光发生机构组成，其中，所述的旋转机构包括控制电路板、旋转电机和法兰盘；所述的控制电路板电连接并控制旋转电机正/反转；旋转电机的输出轴连接有法兰盘；
其中，激光发生机构包括十字线激光发生器和激光器安装筒；所述的十字线激光发生器同轴固定在激光器安装筒内，激光器安装筒的筒底通过螺栓连接法兰盘。
进一步的，所述的激光器安装筒上设置有用于固定连接线的线槽。
进一步的，所述的焦点调整机构包括L形固定支架板、调整电机和固定底座；其中，L形固定支架板中的水平面板与激光扫描装置可拆卸固定连接；L形固定支架板中垂直水平面的侧面板通过金属圆盘固定连接至调整电机的输出端；调整电机电连接控制电路板，且该调整电机外壳上设置有两个接耳；所述的接耳与固定底座固定连接。
进一步的，所述的水平面板上设置有通孔I与激光扫描装置底部设置的通孔II匹配，并通过螺栓紧固结构连接；所述的接耳上设置通孔III；固定底座中的水平面板的边沿垂直设置有连接板，连接板上设置有通孔IV与通孔III匹配，通过螺栓紧固结构连接。
进一步的，所述的控制电路板包括DSP处理器模块和分别与DSP处理器模块连接用于通信的通信模块、用于存储数据的SD存储卡、用于供电的供电外设、用于驱动旋转电机的旋转电机驱动模块、用于驱动十字线激光发生器的激光器驱动、用于驱动调整电机的调整电机驱动模块和双口RAM模块；其中，所述的双口RAM模块连接FPGA图像采集模块，该FPGA图像采集模块采集激光接收器获得的数据。
优选的，所述的激光接收器为高速采集数字式图像传感器。
进一步的，用于建立360度测量视角的环境三维形貌扫描装置的多个所述的自旋转十字线激光扫描装置等角度间隔环状设置，并将每个自旋转十字线激光扫描装置均电连接/无线连接至用于接收自旋转十字线激光扫描装置发送的图像数据并进行图像拼接的主处理模块。
本发明的有益效果是：本发明采用十字线激光作为测量光源，利用CCD或CMOS等光电图像传感器件作为激光信号接收装置，利用三角法测距原理实现激光测距功能，将激光线上各点坐标解算为各点到激光光源的距离，通过十字线激光器绕自身光轴旋转扫描，将待测物分为四象限，仅需将入射的十字线光源旋转90°就可以获得被扫描物体整个表面形貌的点云数据，实现被测物的三维形貌感知。该设备具有结构简单、应用灵活、成本低、速度快等特点，可用于机器人、无人机、无人驾驶车辆的环境感知和测量。
附图说明
图1为激光测距原理示意图。
图2为传统激光扫描仪原理示意图。
图3为本发明结构示意图。
图4为旋转激光发生器原理示意图。
图5为旋转激光发生器结构示意图。
图6为多个本发明连接示意图。
图7为控制电路板组成结构示意图。
其中，1. 旋转激光发生器；2. 激光接收器；3. 焦点调整机构；4. 主处理模块。
101. 旋转机构；101A. 控制电路板；101B. 旋转电机；101C. 法兰盘；102. 激光发生机构；102A. 十字线激光发生器；102B.激光器安装筒；102C.线槽；301. L形固定支架板；301A. 水平面板；301B. 侧面板；302. 调整电机；302A. 金属圆盘；302B. 接耳；303.固定底座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
如图3，所述的一种自旋转十字线激光扫描的环境三维形貌感知装置，包括激光扫描装置和用于对激光扫描装置发出的光线进行竖直方向调节的焦点调整机构3；所述的激光扫描装置包括旋转激光发生器1和用于接收反射光的激光接收器2，其技术方案是：所述的旋转激光发生器1能够发出十字线激光并绕自身光轴旋转，从而对环境三维形貌进行扫描。
进一步的，如图4，所述的旋转激光发生器1由旋转机构101和激光发生机构102组成，其中，所述的旋转机构101包括控制电路板101A、旋转电机101B和法兰盘101C；所述的控制电路板101A电连接并控制旋转电机101B正/反转；旋转电机101B的输出轴连接有法兰盘101C；
其中，激光发生机构102包括十字线激光发生器102A和激光器安装筒102B；所述的十字线激光发生器102A同轴固定在激光器安装筒102B内，激光器安装筒102B的筒底通过螺栓连接法兰盘101C。
再进一步的，所述的激光器安装筒102B上设置有用于固定连接线的线槽102C。
进一步的，如图5，所述的焦点调整机构3包括L形固定支架板301、调整电机302和固定底座303；其中，L形固定支架板301中的水平面板301A与激光扫描装置可拆卸固定连接；L形固定支架板301中垂直水平面的侧面板301B通过金属圆盘302A固定连接至调整电机302的输出端；调整电机302电连接控制电路板101A，且该调整电机302外壳上设置有两个接耳302B；所述的接耳302B与固定底座303固定连接。
优选的，所述的水平面板301A上设置有通孔I与激光扫描装置底部设置的通孔II匹配，并通过螺栓紧固结构连接；所述的接耳302B上设置通孔III；固定底座303中的水平面板303A的边沿垂直设置有连接板303B，连接板303B上设置有通孔IV与通孔III匹配，通过螺栓紧固结构连接。
进一步的，如图7，所述的控制电路板101A包括DSP处理器模块和分别与DSP处理器模块连接用于通信的通信模块、用于存储数据的SD存储卡、用于供电的供电外设、用于驱动旋转电机的旋转电机驱动模块、用于驱动十字线激光发生器的激光器驱动、用于驱动调整电机302的调整电机驱动模块和双口RAM模块；其中，所述的双口RAM模块连接FPGA图像采集模块，该FPGA图像采集模块采集激光接收器2获得的数据。
优选的，所述的激光接收器2为高速采集数字式图像传感器。
需要明确的是：控制电路板101A包括DSP处理器模块和FPGA图像采集模块两个处理核心，FPGA图像采集模块用于高速采集数字式图像传感器的配置设定、控制通信模块以及采集图像数据的传输处理，图像采集数据采用双口RAM模块缓存。DSP处理器模块用于从双口RAM模块获取缓存的图像数据，进行距离的解算。同时还具有激光输出控制的激光器驱动、旋转电机驱动模块控制激光器旋转、十字刻线激光束交点位置调节控制的调整电机驱动模块、存储数据的SD存储卡存储控制等功能。
进一步的，如图6，用于建立360度测量视角的环境三维形貌扫描装置的多个所述的自旋转十字线激光扫描装置等角度间隔环状设置，并将每个自旋转十字线激光扫描装置均电连接/无线连接至用于接收自旋转十字线激光扫描装置发送的图像数据并进行图像拼接的主处理模块4。
本发明利用十字线激光线束将被测面划分为4个象限，利用十字线激光绕光轴进行自旋转扫描，只需要激光发生机构102旋转90度，就可以获得被测物面点云数据，实现被测视角范围内三维形貌的快速测量。本发明设备还可以借助处理系统的通信接口，多个测量设备组成多视角扫描系统，借助图像拼接技术，得到360度环境三维形貌信息。
以上所述仅为发明的较佳实施例而己，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)

1.一种自旋转十字线激光扫描的环境三维形貌感知装置，包括激光扫描装置和用于对激光扫描装置发出的光线进行竖直方向调节的焦点调整机构（3）；所述的激光扫描装置包括旋转激光发生器（1）和用于接收反射光的激光接收器（2），其特征是：所述的旋转激光发生器（1）能够发出十字线激光并绕自身光轴旋转，从而对环境三维形貌进行扫描；
所述的旋转激光发生器（1）由旋转机构（101）和激光发生机构（102）组成，其中，所述的旋转机构（101）包括控制电路板（101A）、旋转电机（101B）和法兰盘（101C）；所述的控制电路板（101A）电连接并控制旋转电机（101B）正/反转；旋转电机（101B）的输出轴连接有法兰盘（101C）；
其中，激光发生机构（102）包括十字线激光发生器（102A）和激光器安装筒（102B）；所述的十字线激光发生器（102A）同轴固定在激光器安装筒（102B）内，激光器安装筒（102B）的筒底通过螺栓连接法兰盘（101C）；
所述的焦点调整机构（3）包括L形固定支架板（301）、调整电机（302）和固定底座（303）；其中，L形固定支架板（301）中的水平面板（301A）与激光扫描装置可拆卸固定连接；L形固定支架板（301）中垂直水平面的侧面板（301B）通过金属圆盘（302A）固定连接至调整电机（302）的输出端；调整电机（302）电连接控制电路板（101A），且该调整电机（302）外壳上设置有两个接耳（302B）；所述的接耳（302B）与固定底座（303）固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种自旋转十字线激光扫描的环境三维形貌感知装置，其特征是：所述的激光器安装筒（102B）上设置有用于固定连接线的线槽（102C）。
3.根据权利要求1所述的一种自旋转十字线激光扫描的环境三维形貌感知装置，其特征是：所述的水平面板（301A）上设置有通孔I与激光扫描装置底部设置的通孔II匹配，并通过螺栓紧固结构连接；所述的接耳（302B）上设置通孔III；固定底座（303）中的水平面板（303A）的边沿垂直设置有连接板（303B），连接板（303B）上设置有通孔IV与通孔III匹配，通过螺栓紧固结构连接。
4.根据权利要求1所述的一种自旋转十字线激光扫描的环境三维形貌感知装置，其特征是：所述的控制电路板（101A）包括DSP处理器模块和分别与DSP处理器模块连接用于通信的通信模块、用于存储数据的SD存储卡、用于供电的供电外设、用于驱动旋转电机（101B）的旋转电机驱动模块、用于驱动十字线激光发生器的激光器驱动、用于驱动调整电机（302）的调整电机驱动模块和双口RAM模块；其中，所述的双口RAM模块连接FPGA图像采集模块，该FPGA图像采集模块采集激光接收器（2）获得的数据。
5.根据权利要求1所述的一种自旋转十字线激光扫描的环境三维形貌感知装置，其特征是：所述的激光接收器（2）为高速采集数字式图像传感器（1019）。
6.根据权利要求1所述的一种自旋转十字线激光扫描的环境三维形貌感知装置，其特征是：用于建立360度测量视角的环境三维形貌扫描装置的多个所述的自旋转十字线激光扫描装置等角度间隔环状设置，并将每个自旋转十字线激光扫描装置均电连接/无线连接至用于接收自旋转十字线激光扫描装置发送的图像数据并进行图像拼接的主处理模块（4）。
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