CN108168458A - 一种室内三维数据自动采集设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内三维数据自动采集设备，包括：底盘，其为行走机构；主机及电源仓，其固定在底盘上，主机及电源仓一侧为开口状，内置数据处理装置；支架，其底部贯穿主机及电源仓的外壳并固定在底盘上；监视器，其固定在支架中部；机头，其固定在支架顶部；相机组件，其由固定在机头上的若干相机组成，相机组件与数据处理装置通信连接；激光雷达组件，其由若干固定在支架和机头上的激光雷达组成，激光雷达组件与数据处理装置通信连接；惯性测量单元，其固定在机头上，惯性测量单元与数据处理装置通信连接。本发明的有益效果：可绕过障碍物，实时采集数据，将不同传感器获得的数据在统一的坐标系下进行空间定位，获取完整的三维点云模型。

Description

一种室内三维数据自动采集设备

技术领域

本发明涉及三维测量技术领域，具体而言，涉及一种室内三维数据自动采集设备。

背景技术

现有的室内三维数据采集设备主要有两类，一类是固定点采集设备，另一类是移动式采集设备。

固定点采集设备需要在室内规划若干数据采集点，全部点位采集完毕后，根据点位的位置和所采集的三维空间模型特征，将各个独立的数据集拼接为室内建筑的整体三维模型，并将采集的其他数据(比如全景图)在三维模型中一一进行空间定位。这种采集装备具有以下缺点：(1)在不同采集点间需要人工搬运设备，作业负担重；(2)为了保证相邻的独立数据集有重合的区域，采集点间隔有限制，一旦超出间隔，会导致数据集无法拼接，不能建立完整的室内三维模型，因此整体采集速度慢；(3)由于拼接系统依靠不同数据集间重合的采集区域判断各数据集的空间关系，因此一旦重合采集区域的空间结构在两次扫描间发生了改变，比如挪动了椅子，拼接系统会因为空间结构的变化而无法将相邻的数据集拼接在一起；(4)如果在扫描过程中，扫描范围内有移动的物体，或有人走过，则会导致数字模型与实际不符，而当移动物体正好处于重合采集区域，也会造成无法拼接的结果。

移动采集设备采用单线或多线激光传感器，建立基于点云的三维模型。这种采集装备具有以下缺点：(1)仅仅通过点云建立三维模型，没有其他数据，没有将不同种类的传感器获得的数据在统一的坐标系下进行空间定位；(2)点云模型是有点的集合建立的模型，并且多为单色，即便通过算法人工染色，效果依旧不好；(3)这种设备建立的点云模型仅能用于描述空间结构，无法完整体现真实的室内场景，比如材质、物体表面的图案、花纹等。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种室内三维数据自动采集设备，可绕过障碍物，实时自动采集数据，将不同传感器获得的数据在统一的坐标系下进行空间定位，获取完整的三维点云模型。

本发明提供了一种室内三维数据自动采集设备，包括：

底盘，其为行走机构；

主机及电源仓，其固定在所述底盘上，所述主机及电源仓一侧为开口状，内置数据处理装置；

支架，其底部贯穿所述主机及电源仓的外壳并固定在所述底盘上；

监视器，其固定在所述支架中部；

机头，其固定在所述支架顶部；

相机组件，其由固定在所述机头上的若干相机组成，所述相机组件与所述数据处理装置通信连接；

激光雷达组件，其由若干固定在所述支架和所述机头上的激光雷达组成，所述激光雷达组件与所述数据处理装置通信连接；

惯性测量单元，其固定在所述机头上，所述惯性测量单元与所述数据处理装置通信连接。

作为本发明进一步的改进，所述相机组件由沿周向均匀固定在所述机头侧壁的若干相机以及固定在所述机头顶部的一个相机组成。

作为本发明进一步的改进，所述相机组件由六个相机组成，其中，第一相机、第二相机、第三相机、第四相机和第五相机沿周向均匀固定在所述机头侧壁上，第六相机固定在所述机头顶部。

作为本发明进一步的改进，所述激光雷达组件由三个激光雷达组成，其中，第一激光雷达固定在所述机头顶部，第二激光雷达固定在所述支架一侧中部，第三激光雷达固定在所述支架另一侧下部。

作为本发明进一步的改进，所述第一激光雷达距离地面的高度为H₁，所述第二激光雷达距离地面的高度为H₂，所述第三激光雷达距离地面的高度为H₃，且H₂＝1/2H₁，H₃＝1/4H₁。

作为本发明进一步的改进，所述第二激光雷达与所述支架y平面呈30°角，所述第三激光雷达与所述支架y平面呈150°角。

作为本发明进一步的改进，所述惯性测量单元由三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计组成。

作为本发明进一步的改进，所述数据处理装置由硬盘、电脑主机、电源电路板，所述监视器、所述相机组件、所述激光雷达组件和所述惯性测量单元均与所述电脑主机连接，所述电脑主机与所述硬盘连接，所述电源电路板与所述电脑主机连接，所述监视器、所述相机组件、所述激光雷达组件和所述惯性测量单元均与所述电源电路板连接。

作为本发明进一步的改进，所述底盘为由若干车轮组成的轮式行走机构或为履带式行走机构。

本发明的有益效果为：

1、无需人工搬运设备，可通过行走机构实现移动，省时省力；

2、扫描过程中可以跨越障碍物，完成扫描采集；

3、无需认为设置采集点，将不同种类的传感器(惯性测量单元、激光雷达)获得的数据在统一的坐标系下进行空间定位；

4、采集速度快，可以获取完整的三维点云模型，进而获取完整的室内三维模型；

5、扫描过程中的数据均被保存下来，便于后续进一步处理；

6、可以选择手动拍照和自动拍照，每次拍照记录了当时的拍照位置和姿态，便于后续进一步处理；

7、采集数据的过程可以实时监控，实时了解扫描数据的质量和各种车载设备的状态，便于及时处理。

附图说明

图1为本发明实施例所述的一种室内三维数据自动采集设备的正视图；

图2为本发明实施例所述的一种室内三维数据自动采集设备的后视图；

图3为本发明实施例所述的机头的示意图；

图4为本发明实施例所述的数据处理装置的示意图。

图中，

1、底盘；2、主机及电源仓；3、支架；4、监视器；5、机头；6-1、第一相机；6-2、第二相机；6-3、第三相机；6-4、第四相机；6-5、第五相机；7-1、第一激光雷达；7-2、第二激光雷达；7-3、第三激光雷达；8、硬盘；9、电脑主机；10、电源电路板。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例1，如图1-2所示，本发明实施例的一种室内三维数据自动采集设备，包括：底盘1、主机及电源仓2、支架3、监视器4、机头5、相机组件、激光雷达组件和惯性测量单元。

底盘1为行走机构，为整个采集设备提供行走移动功能。底盘1可以为如图1-2所示的由三个车轮组成的轮式行走机构。这种三轮式行走机构具有稳定性，一个前轮、两个后轮，前轮作为操纵舵，用来改变方向，后轮用来驱动，可以实现较长距离的移动。底盘1也可以采用履带式行走机构。履带式行走机构可以跨越障碍物，无需自位轮和转向机构，要转弯时靠左、右两个履带的速度差即可。

主机及电源仓2固定在底盘1上，主机及电源仓2一侧为开口状，内置数据处理装置。如图4所示，数据处理装置由硬盘8、电脑主机9、电源电路板10，监视器4、相机组件、激光雷达组件和惯性测量单元均与电脑主机9连接，电脑主机9与硬盘8连接，电源电路板10与电脑主机9连接，监视器4、相机组件、激光雷达组件和惯性测量单元均与电源电路板10连接。其中，电脑主机9内置有处理程序，用于将惯性测量单元、相机、激光雷达获取的数据进行实时处理、融合，并存储于硬盘8上。硬盘8用于储存各种数据，可插拔更换。电源电路板10用于控制电脑主机9，并为各种车载设备(监视器4、相机组件、激光雷达组件和惯性测量单元)供电。

支架3底部贯穿主机及电源仓2的外壳并固定在底盘1上。

监视器4固定在支架3中部，用于在采集数据的过程中进行监控，实时了解扫描数据的质量和各种车载设备的状态，便于及时处理，同时，监视器4上还显示各种车载设备的操作界面。

机头5固定在支架3顶部，相机组件固定在机头5上，相机组件与数据处理装置通信连接。相机组件由沿周向均匀固定在机头5侧壁的若干相机以及固定在机头5顶部的一个相机组成，圆周方向上，侧壁上的每个相机拍摄一定角度范围内的照片，用于360度全方位拍摄室内的照片，获取室内全景照片所需要的数字图片。这些相机在拍摄过程中，可以自动同时拍照，也可以通过监视器4上显示的操作界面来选取特定位置手动拍照，电脑主机能根据拍照定位地点记录照片的获取位置。自动拍照时，当采集设备移动超出开始设定的拍照距离，电脑主机会发出提示音提醒扫描人员是否需要进行拍照。手动拍照时，由扫描人员通过监视器4上的触发按键来完成拍照。每一次拍照时，电脑主机都会判断采集设备是否倾斜过大、是否在静止状态下，根据相应的判断结果对扫描人员提示是否能成功拍照。本发明需要激光在一个平面上进行，当倾斜过大、不在相对静止的状态时，激光数据可能会产生丢失的情况，此时，会无法拍照成功，建议暂停扫描。每次拍照时，电脑主机会记录当时的拍照位置和姿态，同时在扫描过程中会记录可获得的数据在扫描完成后进行后处理所用。扫描人员通过监视器4上显示的扫描区域和扫描过的点云区域来判断是否完成当前的区域，当结束扫描时，电脑主机会把每一次扫描获取的数据保存在硬盘8里。如图3所示，本实施例优选的，相机组件由六个相机组成，其中，第一相机6-1、第二相机6-2、第三相机6-3、第四相机6-4和第五相机6-5沿周向均匀固定在机头5侧壁上，第六相机6-6固定在机头5顶部。

激光雷达组件由若干固定在支架3和机头5上的激光雷达组成，激光雷达组件与数据处理装置通信连接。具体的，激光雷达组件由固定在机头5顶部的一个激光雷达以及固定在支架3上的两个激光雷达组成，用于采集三维建模所需要的点云数据。当一束激光照射到物体表面时，所反射的激光会携带方位、距离等信息。若将激光束按照某种轨迹进行扫描，便会边扫描边记录到反射的激光点信息，由于扫描极为精细，则能够得到大量的激光点，在获取物体表面每个采样点的空间坐标后，得到的是一个点的集合，称之为点云。其中，第一激光雷达7-1固定在所述机头5顶部，用于扫描的实时定位与建立2D平面图。第二激光雷达7-2固定在所述支架3一侧中部，第三激光雷达7-3固定在所述支架3另一侧下部，这两个激光雷达在扫描过程中不断扫描经过线路上的深度信息，收集建筑模型信息，作为三维点云的输入，为三维建模使用，第二激光雷达和第三激光雷达扫描的信息均在监视器4上显示。其中，第一激光雷达7-1距离地面的高度为H₁，第二激光雷达7-2距离地面的高度为H₂，第三激光雷达7-3距离地面的高度为H₃。优选的设置方式为：H₂＝1/2H₁，H₃＝1/4H₁，第二激光雷达7-2与支架3的y平面呈30°角，第三激光雷达7-3与支架3的y平面呈150°角。激光雷达如此设置是为了获得大范围(270°)的激光扫描区域，进而获得尽可能完整的点云信息。本发明的三维坐标系采用右手定则，x轴正方向向右，y轴正方向向上，z轴正方向向前。

惯性测量单元固定在机头5上，惯性测量单元与数据处理装置通信连接。惯性测量单元用于测量采集设备的姿态信息，为点云数据采集提供位置的矫正数据，记录地磁场数据，为采集数据后续的使用提供方向矫正坐标。由于惯性测量单元受自身的噪音和环境噪音的影响，因此在扫描前需要对其进行矫正，其中包括惯性测量单元的加速度、角速度和磁场矫正。加速度和角速度矫正可去除环境噪音对小车静止状态的影响，磁场矫正后可以根据环境磁场数据实时计算出小车的东南西北朝向。产生噪声的主要原因在于，扫描环境不是一个理想环境，地面很有可能陡峭不平，或有不可避免的障碍物，需要推着采集设备越过此类障碍物，此时，采集设备的翻滚角、俯仰角、偏转角都会发生变化，而在绘制2D地图时，需要激光数据在一个平面上扫描匹配。当采集设备的姿态发生变化后，激光的姿态也会发生变化，需要对激光数据进行处理，此时，通过惯性测量单元读取的姿态信息可以知道采集设备的姿态信息，而采集设备和激光雷达在同一坐标系下，进而就可以获取激光雷达的姿态信息。具体的，惯性测量单元为九轴测量单元，由三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计组成，分别获取采集设备的x，y，z轴的加速度信息，角速度信息和磁场信息。

由于GPS在室内无法进行准确定位，本发明将惯性测量单元结合行走机构，能够产生导航和定位信息，减少对外部环境的依赖，实现外部环境条件(例如光照、墙壁材质)等未知情况下的导航，实现精确的定位。同时，在测量磁场强度和方向时，无需预先铺设信号源，硬件投入成本为零，且地磁信号稳定性好，定位精度高。

本发明的自动采集设备的工作流程为：

步骤1，打开采集设备的电源开关，开机信号发送给电脑主机，待电脑主机开机后返回信号给电源电路板，电源电路板再发送开机信号给监视器、相机组件、激光雷达组件和惯性测量单元；

步骤2，惯性测量单元获取采集设备的加速度信息、角速度信息和磁场信息，并发送至电脑主机，电脑主机提示扫描人员对加速度、角速度和磁场数据进行矫正，开始矫正处理；

步骤3，激光雷达组件开始扫描室内物体获取激光数据，采集三维建模所需要的点云数据，并发送至电脑主机，其中，第一激光雷达用于实时定位与建立2D平面地图，第二激光雷达和第三激光雷达用于扫描经过线路上的建筑点云信息，收集建筑模型信息，作为三维点云模型的输入，第二激光雷达和第三激光雷达扫描的点云信息均在监视器上显示；

步骤4，电脑主机将惯性测量单元获取到的采集设备绕z轴的翻滚角、绕x轴的俯仰角和绕y轴的偏转角信息与第一激光雷达获取的激光数据进行矫正处理；

步骤5，电脑主机采用SLAM算法建立二维坐标系，绘制出2D平面地图，并在监视器上显示；

步骤6，电脑主机判断是否有用户操作监视器上的操作界面，如果有用户操作，则处理用户操作，否则进入步骤7；

步骤7，电脑主机计算出采集设备的累计移动距离，并判断是否超出设定的拍照距离，如果是进入步骤8，否则返回步骤6；

步骤8，电脑主机判断是否为自动拍照，如果是进入步骤9，否则返回步骤6；

步骤9，电脑主机判断采集设备是否为静止状态，如果是进入步骤10，否则返回步骤6；

步骤10，相机组件中的若干相机分别拍摄室内各个方位的数字照片，并分别记录每张照片的拍照地点在2D平面地图中的坐标，获取室内的全景照片，并将所有照片数据发送至电脑主机。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)

1.一种室内三维数据自动采集设备，其特征在于，包括：

底盘(1)，其为行走机构；

主机及电源仓(2)，其固定在所述底盘(1)上，所述主机及电源仓(2)一侧为开口状，内置数据处理装置；

支架(3)，其底部贯穿所述主机及电源仓(2)的外壳并固定在所述底盘(1)上；

监视器(4)，其固定在所述支架(3)中部；

机头(5)，其固定在所述支架(3)顶部；

相机组件，其由固定在所述机头(5)上的若干相机组成，所述相机组件与所述数据处理装置通信连接；

激光雷达组件，其由若干固定在所述支架(3)和所述机头(5)上的激光雷达组成，所述激光雷达组件与所述数据处理装置通信连接；

惯性测量单元，其固定在所述机头(5)上，所述惯性测量单元与所述数据处理装置通信连接。

2.根据权利要求1所述的室内三维数据自动采集设备，其特征在于，所述相机组件由沿周向均匀固定在所述机头(5)侧壁的若干相机以及固定在所述机头(5)顶部的一个相机组成。

3.根据权利要求2所述的室内三维数据自动采集设备，其特征在于，所述相机组件由六个相机组成，其中，第一相机(6-1)、第二相机(6-2)、第三相机(6-3)、第四相机(6-4)和第五相机(6-5)沿周向均匀固定在所述机头(5)侧壁上，第六相机(6-6)固定在所述机头(5)顶部。

4.根据权利要求1所述的室内三维数据自动采集设备，其特征在于，所述激光雷达组件由三个激光雷达组成，其中，第一激光雷达(7-1)固定在所述机头(5)顶部，第二激光雷达(7-2)固定在所述支架(3)一侧中部，第三激光雷达(7-3)固定在所述支架(3)另一侧下部。

5.根据权利要求4所述的室内三维数据自动采集设备，其特征在于，所述第一激光雷达(7-1)距离地面的高度为H₁，所述第二激光雷达(7-2)距离地面的高度为H₂，所述第三激光雷达(7-3)距离地面的高度为H₃，且H₂＝1/2H₁，H₃＝1/4H₁。

6.根据权利要求4所述的室内三维数据自动采集设备，其特征在于，所述第二激光雷达(7-2)与所述支架(3)的y平面呈30°角，所述第三激光雷达(7-3)与所述支架(3)的y平面呈150°角。

7.根据权利要求1所述的室内三维数据自动采集设备，其特征在于，所述惯性测量单元由三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计组成。

8.根据权利要求1所述的室内三维数据自动采集设备，其特征在于，所述数据处理装置由硬盘(8)、电脑主机(9)、电源电路板(10)，所述监视器(4)、所述相机组件、所述激光雷达组件和所述惯性测量单元均与所述电脑主机(9)连接，所述电脑主机(9)与所述硬盘(8)连接，所述电源电路板(10)与所述电脑主机(9)连接，所述监视器(4)、所述相机组件、所述激光雷达组件和所述惯性测量单元均与所述电源电路板(10)连接。

9.根据权利要求1所述的室内三维数据自动采集设备，其特征在于，所述底盘(1)为由若干车轮组成的轮式行走机构或为履带式行走机构。