CN108089197A - 一种高集成度双楔式三维成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高集成度双楔式三维成像系统，包括激光发射模块、激光双楔扫描机构模块、激光接收模块、摄像头成像模块、支撑模块、电子电路模块。本发明通过激光发射模块发射激光经过反射及激光双楔扫描机构，形成面阵扫描式激光，当激光碰撞到物体后，激光部分光线将反射回系统，激光接收模块对激光光线聚焦和电子电路模块感光器件感应。经过周期性的面阵激光扫描，并依据发射与接收时间差，便能够得到关于距离的三维点云信息。摄像头成像模块用于辅助激光三维成像，使其能够得到更为丰富的信息。本发明高度集成旋转扫描机构、激光发射与接收、GPS定位、惯性导航IMU、摄像头成像等功能，具有体积小、重量轻、用途广泛的特点。

Description

一种高集成度双楔式三维成像系统
技术领域
本发明涉及一种高集成度双楔式三维成像系统，具体地说是一种用于三维成像的设备或仪器，属于光电技术领域。
背景技术
传统的图像技术多指二维平面图像，其单张图像不具备深度信息，随着技术的发展，越来越多的应用场景希望能够获得三维信息，例如，无人驾驶汽车、服务机器人、仓储机器人等，相应的方案包括：双目视觉方案、红外结构光方案、脉冲式激光扫描方案等。
相比于红外结构光等红外方案，对于脉冲式激光方案优势在于能够测量的距离较远，但缺点在于测量分辨率低，难以达到厘米级精度要求，因此比较适合对远距离测量，另外，在众多应用场合需要将环境重现与建模，此时就需要结合彩色图像传感器进行图像融合。
双光楔折射技术是指将激光束投射到一对光楔上，光楔对绕同一光轴旋转按照一定的规则转动，激光经过光楔对后便可在一定的视场范围内扫描，通过激光接收器接收发射的激光以及感光器件感应，依据发射与接收时间差，便能够得到关于距离的信息。经过周期性的面阵激光扫描，便可形成三维点云信息。
中国专利申请公布号CN 106017330A中，尽管介绍了利用双光楔原理的扫描机构，但是其依靠两个电机带动传动系统，再带动光楔旋转，其尺寸大，集成度低，且并未考虑如何实现激光的接收问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高集成度的双楔式三维成像系统。包括激光发射模块、激光双楔扫描机构模块、激光接收模块、摄像头成像模块、支撑模块、电子电路模块。本发明通过激光发射模块发射激光经过反射及激光双楔扫描机构，形成面阵扫描式激光，当激光碰撞到物体后，激光部分光线将反射回系统，激光接收模块对激光光线聚焦和电子电路模块感光器件感应。经过周期性的面阵激光扫描，并依据发射与接收时间差，便能够得到关于距离的三维点云信息。摄像头成像模块用于辅助激光三维成像，使其能够得到更为丰富的信息。本发明高度集成旋转扫描机构、激光发射与接收、GPS定位、惯性导航IMU、摄像头成像等功能，具有体积小、重量轻、用途广泛的特点。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案，并以一种典型实施实例为例进行说明。以下实施例有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明保护范围。
一种高集成度双楔式三维成像系统，其利用中空旋转轴无传动系统的双楔式方式进行激光扫描，且结合摄像头模块进行三维成像，为满足双楔扫描的小尺寸与超薄结构，优先采用轴向光电码盘方式；其具有基于激光的三维点云生成功能、摄像成像功能，其扩展功能可包括GPS定位功能、惯性测量IMU功能；其一种典型应用实例包括：激光发射模块、激光双楔扫描机构模块、激光接收模块、摄像头成像模块、支撑模块、电子电路模块。
摄像头成像模块可以采用以下方案中的一种或多种方案组合：两个可见光摄像头、两个红外摄像头及特征投射装置、一个可见光摄像头、一个红外摄像头及特征投射装置、一个热成像摄像头、一个深度摄像头及光源投射装置；同时，高集成度双楔式三维成像系统的一种特例也可无摄像头成像模块。
支撑模块包括D形外壳体、激光接收模块底座、侧板、底部盖板、保护镜；其中，激光接收模块底座通过激光接收模块固定螺钉固定于侧板上，D形外壳体通过D形外壳体固定螺钉固定于侧板上，底部盖板通过底部盖板固定螺钉固定于激光接收模块底座，保护镜粘贴固定于D形外壳体；侧板上具有外接螺纹孔特征，用于与外部设备连接。
电子电路模块分为下电路板和侧电路板，其中，下电路板通过下电路板固定螺钉固定于激光接收模块底座上；侧电路板通过侧电路板固定螺钉固定于侧板上；电子电路模块具有GPS功能、惯性测量IMU功能、激光发射功能、感应聚焦后激光功能、检测电机旋转角度功能、计算与通信功能；侧电路板具有数字通信接口，用于与外部设备进行通信。
激光发射模块通过激光发射模块固定螺钉固定于侧电路板上；激光双楔扫描机构模块包括上楔形扫描组件和下楔形扫描组件，上楔形扫描组件通过上楔形扫描组件固定螺钉固定于D形外壳体，下楔形扫描组件通过下楔形扫描组件固定螺钉固定于激光接收模块底座；激光接收模块通过螺纹配合固定于激光接收模块底座上；摄像头成像模块固定于侧电路板。
双楔式激光扫描采用发射激光光路与接收光路同光路的方式；激光发射模块位于激光双楔扫描机构模块的径向方向，发射激光后，激光通过激光接收模块底座的镜面反射，此时，激光方向变为激光双楔扫描机构模块的轴向方向，之后，经过旋转运动的激光双楔扫描机构模块，激光便可与轴向有一定夹角，扫描到环境空间中的一点；当激光碰撞到物体后，激光反射，部分激光经双楔扫描机构模块进入系统内部，激光接收模块对激光光线聚焦和电子电路模块感光器件感应；经过周期性的多点激光扫描，并依据发射与接收时间差，便能够得到关于距离的空间三维点云信息。
双楔扫描机构模块中电机转子固定件的外壳进行轴向刻线，形成反射率交替变化的轴向刻线特征，利用反射式光电读头进行信息的读取，从而定位电机转子固定件的角度，反射式光电读头焊接于侧电路板；同时，径向刻线或磁编码器的方式也可作为定位电机转子固定件旋转角度的实施方式。
旋转电机采用中空式结构，将楔形镜固定于电机转子固定件的中空轴中，利用电机转子固定件直接带动楔形镜转动，无需传动系统。
激光接收模块底座为一体式设计，同时实现激光发射模块轴向定位、激光接收模块定位与调焦功能、发射激光反射功能、下楔形扫描组件固定功能。
本发明的优点及有益效果是：
1.本发明采用直驱方式带动楔形镜转动，没有传动系统，减少了系统复杂性，能够提高系统寿命。
2.本发明提出优先采用的轴向刻线方式，在本系统的应用中，能够有效的减小系统体积，且该方案可扩展到众多对体积有要求的电机角度测量场合。
3.本发明是一种有效的远距离三维成像方式，并且结合摄像头模块的多种互补形式方案，能够形成功能更加强大的三维成像系统。
4.本发明具有高集成的特点，促使系统尺寸小，且便于安装。
附图说明
图1为本发明一种实施案例的爆炸示意图；
图2为发明一种实施案例的剖视示意图；
图3为发明一种实施案例的产品外观示意图；
图4为发明一种实施案例的电机转子固定件外壳刻线示意图；
图中，1为激光发射模块；2为激光双楔扫描机构模块；21为上楔形扫描组件；211为旋转电机；212为楔形镜；2111为电机转子固定件；21111为轴向刻线特征；22为下楔形扫描组件；3为激光接收模块；4为摄像头成像模块；5为支撑模块；51为D形外壳体；52为激光接收模块底座；53为侧板；531为外接螺纹孔特征；54为底部盖板；55为保护镜；56为上楔形扫描组件固定螺钉；57为下楔形扫描组件固定螺钉；58为下电路板固定螺钉；59为底部端盖固定螺钉；591为侧电路板固定螺钉；592为激光发射模块固定螺钉；593为激光接收模块底座固定螺钉；594为D形外壳体固定螺钉；6为电子电路模块；61为下电路板；62为侧电路板；621为数字通信接口。
具体实施方式
下面结合附图和一种实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1、图2所示，本发明提供一种高集成度双楔式三维成像系统，其包括激光发射模块1、激光双楔扫描机构模块2、激光接收模块3、摄像头成像模块4、支撑模块5、电子电路模块6。本发明通过激光发射模块1发射激光经过反射及激光双楔扫描机构模块2，形成面阵扫描式激光，当激光碰撞到物体后，激光部分光线将反射回系统，激光接收模块3对激光光线聚焦和电子电路模块感光器件感应。经过周期性的面阵激光扫描，并依据发射与接收时间差，便能够得到关于距离的三维点云信息。摄像头成像模块4用于辅助激光三维成像，使其能够得到更为丰富的信息。本发明高度集成旋转扫描机构、激光发射与接收、GPS定位、惯性导航IMU、摄像头成像等功能，具有体积小、重量轻、用途广泛的特点。
具体使用实施内容如下：
一种高集成度双楔式三维成像系统，其利用中空旋转轴无传动系统的双楔式方式进行激光扫描，且结合摄像头模块4进行三维成像，为满足双楔扫描的小尺寸与超薄结构，优先采用轴向光电码盘方式；其具有基于激光的三维点云生成功能、摄像成像功能，其扩展功能可包括GPS定位功能、惯性测量IMU功能；其一种典型应用实例包括：激光发射模块1、激光双楔扫描机构模块2、激光接收模块3、摄像头成像模块4、支撑模块5、电子电路模块6。
摄像头成像模块4可以采用以下方案中的一种或多种方案组合：两个可见光摄像头、两个红外摄像头及特征投射装置、一个可见光摄像头、一个红外摄像头及特征投射装置、一个热成像摄像头、一个深度摄像头及光源投射装置；同时，高集成度双楔式三维成像系统的一种特例也可无摄像头成像模块。
支撑模块包括D形外壳体51、激光接收模块底座52、侧板53、底部盖板54、保护镜55；其中，激光接收模块1底座通过激光接收模块固定螺钉592固定于侧板53上，D形外壳体51通过D形外壳体固定螺钉56固定于侧板53上，底部盖板54通过底部盖板固定螺钉59固定于激光接收模块底座52，保护镜55粘贴固定于D形外壳体51；侧板53上具有外接螺纹孔特征531，用于与外部设备连接。
电子电路模块6分为下电路板61和侧电路板62，其中，下电路板61通过下电路板固定螺钉58固定于激光接收模块底座52上；侧电路板62通过侧电路板固定螺钉591固定于侧板53上；电子电路模块6具有GPS功能、惯性测量IMU功能、激光发射功能、感应聚焦后激光功能、检测电机旋转角度功能、计算与通信功能；侧电路板62具有数字通信接口621，用于与外部设备进行通信。
激光发射模块1通过激光发射模块固定螺钉592固定于侧电路板上62；激光双楔扫描机构模块2包括上楔形扫描组件21和下楔形扫描组件22，上楔形扫描组件21通过上楔形扫描组件固定螺钉56固定于D形外壳体51，下楔形扫描组件22通过下楔形扫描组件固定螺钉57固定于激光接收模块底座52；激光接收模块3通过螺纹配合固定于激光接收模块底座52上；摄像头成像模块4固定于侧电路板62。
双楔式激光扫描采用发射激光光路与接收光路同光路的方式；激光发射模块1位于激光双楔扫描机构模块2的径向方向，发射激光后，激光通过激光接收模块底座52的镜面反射，此时，激光方向变为激光双楔扫描机构模块2的轴向方向，之后，经过旋转运动的激光双楔扫描机构模块2，激光便可与轴向有一定夹角，扫描到环境空间中的一点；当激光碰撞到物体后，激光反射，部分激光经双楔扫描机构模块2进入系统内部，激光接收模块3对激光光线聚焦和电子电路模块6感光器件感应；经过周期性的多点激光扫描，并依据发射与接收时间差，便能够得到关于距离的空间三维点云信息。
双楔扫描机构模块2中电机转子固定件2111的外壳进行轴向刻线，形成反射率交替变化的轴向刻线特征21111，利用反射式光电读头进行信息的读取，从而定位电机转子固定件2111的角度，反射式光电读头焊接于侧电路板62；同时，径向刻线或磁编码器的方式也可作为定位电机转子固定件2111旋转角度的实施方式。
旋转电机211采用中空式结构，将楔形镜212固定于电机转子固定件2111的中空轴中，利用电机转子固定件直接带动楔形镜212转动，无需传动系统。
激光接收模块底座52为一体式设计，同时实现激光发射模块轴向定位、激光接收模块定位与调焦功能、发射激光反射功能、下楔形扫描组件固定功能。
以上对本发明的具体实施进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定的实施方式，本领域人员可以在权利要求范围内做出各种变形和修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种高集成度双楔式三维成像系统，其特征在于，其利用中空旋转轴无传动系统的双楔式方式进行激光扫描，且结合摄像头模块(4)进行三维成像，为满足双楔扫描的小尺寸与超薄结构，优先采用轴向光电码盘方式；其具有基于激光的三维点云生成功能、摄像成像功能，其扩展功能可包括GPS定位功能、惯性测量IMU功能；其一种典型应用实例包括：激光发射模块(1)、激光双楔扫描机构模块(2)、激光接收模块(3)、摄像头成像模块(4)、支撑模块(5)、电子电路模块(6)。
2.根据权利要求1所述的高集成度双楔式三维成像系统，其特征在于，摄像头成像模块(4)可以采用以下方案中的一种或多种方案组合：两个可见光摄像头、两个红外摄像头及特征投射装置、一个可见光摄像头、一个红外摄像头及特征投射装置、一个热成像摄像头、一个深度摄像头及光源投射装置；同时，高集成度双楔式三维成像系统的一种特例也可无摄像头成像模块。
3.根据权利要求1所述的高集成度双楔式三维成像系统，其特征在于，支撑模块包括D形外壳体(51)、激光接收模块底座(52)、侧板(53)、底部盖板(54)、保护镜(55)；其中，激光接收模块(1)底座通过激光接收模块固定螺钉(592)固定于侧板(53)上，D形外壳体(51)通过D形外壳体固定螺钉(56)固定于侧板(53)上，底部盖板(54)通过底部盖板固定螺钉(59)固定于激光接收模块底座(52)，保护镜(55)粘贴固定于D形外壳体(51)；侧板(53)上具有外接螺纹孔特征(531)，用于与外部设备连接；
电子电路模块(6)分为下电路板(61)和侧电路板(62)，其中，下电路板(61)通过下电路板固定螺钉(58)固定于激光接收模块底座(52)上；侧电路板(62)通过侧电路板固定螺钉(591)固定于侧板(53)上；电子电路模块(6)具有GPS功能、惯性测量IMU功能、激光发射功能、感应聚焦后激光功能、检测电机旋转角度功能、计算与通信功能；侧电路板(62)具有数字通信接口(621)，用于与外部设备进行通信；
激光发射模块(1)通过激光发射模块固定螺钉(592)固定于侧电路板上(62)；激光双楔扫描机构模块(2)包括上楔形扫描组件(21)和下楔形扫描组件(22)，上楔形扫描组件(21)通过上楔形扫描组件固定螺钉(56)固定于D形外壳体(51)，下楔形扫描组件(22)通过下楔形扫描组件固定螺钉(57)固定于激光接收模块底座(52)；激光接收模块(3)通过螺纹配合固定于激光接收模块底座(52)上；摄像头成像模块(4)固定于侧电路板(62)。
4.根据权利要求1所述的高集成度双楔式三维成像系统，其特征在于，所述的双楔式激光扫描采用发射激光光路与接收光路同光路的方式；激光发射模块(1)位于激光双楔扫描机构模块(2)的径向方向，发射激光后，激光通过激光接收模块底座(52)的镜面反射，此时，激光方向变为激光双楔扫描机构模块(2)的轴向方向，之后，经过旋转运动的激光双楔扫描机构模块(2)，激光便可与轴向有一定夹角，扫描到环境空间中的一点；当激光碰撞到物体后，激光反射，部分激光经双楔扫描机构模块(2)进入系统内部，激光接收模块(3)对激光光线聚焦和电子电路模块(6)感光器件感应；经过周期性的多点激光扫描，并依据发射与接收时间差，便能够得到关于距离的空间三维点云信息。
5.根据权利要求1所述的轴向光电码盘方式，其特征在于，将双楔扫描机构模块(2)中电机转子固定件(2111)的外壳进行轴向刻线，形成反射率交替变化的轴向刻线特征(21111)，利用反射式光电读头进行信息的读取，从而定位电机转子固定件(2111)的角度，反射式光电读头焊接于侧电路板(62)；同时，径向刻线或磁编码器的方式也可作为定位电机转子固定件(2111)旋转角度的实施方式。
6.根据权利要求1所述的激光双楔扫描机构模块，其特征在于，其中的旋转电机(211)采用中空式结构，将楔形镜(212)固定于电机转子固定件(2111)的中空轴中，利用电机转子固定件直接带动楔形镜(212)转动，无需传动系统。
7.根据权利要求3所述激光接收模块底座，其特征在于，激光接收模块底座(52)为一体式设计，同时实现激光发射模块轴向定位、激光接收模块定位与调焦功能、发射激光反射功能、下楔形扫描组件固定功能。
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