CN108286951B - 用于室内门窗测量的手持式激光扫描仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于室内门窗测量的手持式激光扫描仪，其特征在于：该扫描仪由陀螺仪模块(11)、扫描模块(12)、指示激光单元(13)、控制单元(14)、无线收发模块(15)和电池包(16)组成。使用该扫描仪对室内门窗尺寸进行测量可以得到准确的测量数据，并通过手机客户端实现测量数据的记录和管理，再配合相应设计，相比传统测量手段，使用本发明提供的扫描仪对室内门窗进行测量，无需专业人士来完成，普通使用人员只需简单操作即可得到同样专业的测量结果；另外，使用扫描仪在测量时间上相对传统测量方式大幅减少，测量普通门窗仅需数十秒即可完成，并且自动记录，大幅提高工作效率。

Description

用于室内门窗测量的手持式激光扫描仪

技术领域

本发明涉及一种用于室内门窗测量的手持式激光扫描仪，属于室内测量技术领域。

背景技术

激光三维扫描技术是近年来出现的测绘技术突破，通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨的快速获取被测物表面的空间位置信息，得到高精度数字模型。三维扫描技术已经成功应用在文物保护、城市测绘、公路铁路建设、桥梁隧道监测等领域。用三维激光扫描技术获取的空间点云数据,可快速建立结构复杂、不规则场景的三维可视化模型，省时省力，是人工测量不可比拟的。

在传统门窗测量领域，需要经过专业培训过的测量人员来完成对室内门窗尺寸的测量，并且门窗形状除了常规的矩形洞口以外，还有角型洞口、转角洞口、圆形拱形、立体弧形等异形门窗，使得测量耗时长、难度大、对人员素质要求高。尤其是在对不规则弧形窗进行测量时，需要放线描点后裁纸板测量，测量误差较大。即使现有测量手段已采用了激光测距的方式，但测距选点位置仍影响测量精度，依赖测量人员的经验和技术。

为了解决上述测量需求，将激光三维扫描技术引入传统门窗测量领域，可大幅提高现有工作效率，降低测量成本，提高测量精度。现有三维激光扫描设备发展迅速，目前市场上的主要测量设备按工作原理分为脉冲飞行时间式、相位式、三角测距三种。常规激光测距设备多采用相位式测量原理，测量精度较高，价格便宜技术成熟，但测量频率低，测量距离也较短；采用脉冲飞行时间原理的三维扫描设备，探测距离远，测量频率高，但精度较低体积较大，价格非常昂贵；基于三角测距原理的三维扫描设备，适用于室内测量，在较短测量距离时测量精度较高、测量误差随测量距离成正比，价格适中。

因此，针对室内门窗的测量需求，解决测量距离和精度的矛盾并且具有便携性与低成本的特点，才能使得激光三维扫描技术在门窗测量领域中实现普遍应用。

发明内容

本发明提供了一种用于室内门窗测量的手持式激光扫描仪，使用该扫描仪对室内门窗尺寸进行测量可以得到准确的测量数据。

本发明的技术方案提供一种用于室内门窗测量的手持式激光扫描仪，该扫描仪由陀螺仪模块11、扫描模块12、指示激光单元13、控制单元14、无线收发模块15和电池包16组成，陀螺仪模块11、扫描模块12、指示激光单元13、无线收发模块15和电池包16分别连接控制单元14，无线收发模块15与用户的手机客户端2建立无线信号连接。

而且，所述控制单元14内部包含第一串口输出端1401、第一串口输入端1402、第二串口输出端1403、第二串口输入端1404、第三串口输出端1405、第三串口输入端1406、PWM脉冲输出端1407、数字IO接口1408、模数转换芯片1409、电源管理芯片1410、电压转换芯片1411、第一电压输出接口1412、第二电压输出接口1413、第三电压输出接口1414和第四电压输出接口1415；

所述手持式激光扫描仪中，陀螺仪模块11的电源输入端连接控制单元14中的第一电压输出接口1412，陀螺仪模块11的串口输出端连接控制单元14中的第一串口输入端1402，陀螺仪模块11的串口输入端连接控制单元14中的第一串口输出端1401；扫描模块12的电源输入端连接控制单元14的第二电压输出接口1413，扫描模块12的串口输出端连接控制单元14的第二串口输入端1404，扫描模块12的串口输入端连接控制单元14的第二串口输出端1403，扫描模块12的电机控制输入端连接控制单元14的PWM脉冲输出端1407；指示激光单元13的电源输入端连接控制单元14的第四电压输出接口1415，指示激光单元13的控制输入端连接控制单元14中的数字IO接口1408；无线收发模块15的电源输入端连接控制单元14中的第三电压输出接口1414，无线收发模块15的串口输出端连接控制单元14中的第三串口输入端1405，无线收发模块15的串口输出端连接控制单元14中的第三串口输入端1406；电池包16供电输出端连接控制单元14中的电压转换芯片1411的输入端，电池包16的充电输入端连接控制单元14中电源管理芯片1410的充电输出端；

所述手持式激光扫描仪的控制单元14中，电压转换芯片1411的输入端同时连接到模数转换芯片1409的输入端；电压转换芯片1411的输出端分别连接第一电压输出接口1412、第二电压输出接口1413、第三电压输出接口1414和第四电压输出接口1415。

而且，测量数据由扫描模块12传输至控制单元14中，再由控制单元14通过无线收发模块15以无线信号的方式传输至手机客户端中2；手机客户端2的控制命令由无线信号的方式传输至无线收发模块15接收，再通过控制单元14发送至各个功能模块执行。

本发明专利的优点与效果：

针对室内门窗的测量需求，解决了测量距离和精度的矛盾并且具有便携性并且低成本，使用该扫描仪对室内门窗尺寸进行测量可以得到准确的测量数据，具有操作简单，测量准确的特点。相比传统测量手段，使用本发明提供的扫描仪对室内门窗进行测量，无需专业人士来完成，普通使用人员只需简单操作即可得到同样专业的测量结果；另外，使用扫描仪在测量时间上相对传统测量方式大幅减少，测量普通门窗仅需数十秒即可完成，并且自动记录，大幅提高工作效率。

附图说明

图1为本发明实施例手持激光扫描仪功能结构示意框图。

其中，11陀螺仪模块，12扫描模块，13指示激光单元，14控制单元，15无线收发模块，16电池包，2手机客户端。

图2为本发明实施例的手持激光扫描仪控制单元结构示意图。

其中，1401第一串口输出端，1402第一串口输入端，1403第二串口输出端，1404第二串口输入端，1405第三串口输出端，1406第三串口输入端，1407PWM脉冲输出端，1408数字IO接口，1409模数转换芯片，1410电源管理芯片，1411电压转换芯片，1412第一电压输出接口，1413第二电压输出接口，1414第三电压输出接口，1415第四电压输出接口。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

如图1、2所示，本实施例的一种用于门窗测量的手持式激光扫描仪，由陀螺仪模块11、扫描模块12、指示激光单元13、控制单元14、无线收发模块15、电池包16组成，具体实施时可以配合手机客户端2使用。陀螺仪模块11、扫描模块12、指示激光单元13、无线收发模块15和电池包16分别连接控制单元14，无线收发模块15与用户的手机客户端2建立无线信号连接。其分别的建议型号为陀螺仪模块11可采用MPU6000系列等三轴陀螺仪并整合加速度计，扫描模块12可采用近红外水平扫描激光雷达，指示激光单元13可选用可见光LD激光管，数据处理模块3控制单元14可采用AVR、STM32等单片机，无线收发模块15可采用高通、MTK或TI等厂商生产的无线收发模块，电池包16可用聚合物锂电货干电池等，手机客户端2则需要能够安装在智能手机中使用。

所述控制单元内部包含第一串口输出端1401、第一串口输入端1402、第二串口输出端1403、第二串口输入端1404、第三串口输出端1405、第三串口输入端1406、PWM脉冲输出端1407、数字IO接口1408、模数转换芯片1409、电源管理芯片1410、电压转换芯片1411、第一电压输出接口1412、第二电压输出接口1413、第三电压输出接口1414和第四电压输出接口1415。

所述手持式激光扫描仪中，陀螺仪模块11的电源输入端连接控制单元14中的第一电压输出接口1412，陀螺仪模块11的串口输出端连接控制单元14中的第一串口输入端1402，陀螺仪模块11的串口输入端连接控制单元中的第一串口输出端1401；扫描模块12的电源输入端连接控制单元14的第二电压输出接口1413，扫描模块12的串口输出端连接控制单元14的第二串口输入端1404，扫描模块12的串口输入端连接控制单元14的第二串口输出端1403，扫描模块12的电机控制输入端连接控制单元14的PWM脉冲输出端1407；指示激光单元13的电源输入端连接控制单元14的第四电压输出接口1415，指示激光单元13的控制输入端连接控制单元14中的数字IO接口1408；无线收发模块15的电源输入端连接控制单元14中的第三电压输出接口1414，无线收发模块15的串口输出端连接控制单元14中的第三串口输入端1405，无线收发模块15的串口输出端连接控制单元14中的第三串口输入端1406；电池包16供电输出端连接控制单元14中的电压转换芯片1411的输入端，电池包16的充电输入端连接控制单元14中电源管理芯片1410的充电输出端。

所述手持式激光扫描仪的控制单元14中，电压转换芯片1411的输入端同时连接到模数转换芯片1409的输入端；电压转换芯片1411的输出端分别连接第一电压输出接口1412、第二电压输出接口1413、第三电压输出接口1414和第四电压输出接口1415。

所述手持式激光扫描仪的测量数据由扫描模块12传输至控制单元14中，再由控制单元14通过无线收发模块15以无线信号的方式传输至手机客户端中2；手机客户端2的控制命令由无线信号的方式传输至无线收发模块15接收，再通过控制单元14发送至各个功能模块执行。

本发明的工作方式为：

使用手持式激光扫描仪时，首先启动设备电源，之后启动手机客户端2。在手机客户端2发送扫描命令后，无线收发模块15接收命令，控制单元14通过第三串口输入端1406识别命令，再由控制单元14通过第二串口输出端1403发送至扫描模块12启动扫描，使得扫描模块12内部的激光发射和数据采集部分开始工作。同时，控制单元14通过PWM脉冲输出端1407启动扫描模块12的扫描电机，使得模块开始旋转扫描，设备开始工作。扫描模块12扫描后得到数据，通过串口传输至控制单元14的第二串口输入端1404，扫描模块12开始工作的同时控制单元14由第一串口输入端1402接收陀螺仪模块11的位置数据。将扫描模块12和陀螺仪模块11的数据同时读取，并标记编号后存入缓存芯片中，再从缓存芯片中按照数据编号一一对应取出，将取出的数据通过第三串口输出端1405发送至无线收发模块15，再通过无线信号传输至手机客户端2接收，并处理得到最终结果。其处理方式如下：用户端收到数据后，首先根据数据包的编号判断扫描数据包和陀螺仪数据包是否对应，如不对应则说明数据包不是同一时刻的测量结果，丢弃；判断数据包对应后，将扫描数据包中的角度和位置数组提取出来，同时将陀螺仪数据包中的三轴角度、三轴加速度和时间数组提取，构建扫描数据测量时刻的坐标系，并根据前一个陀螺仪数据包的三轴角度、三轴加速度和时间数组，对所构建的坐标系进行偏移和翻转；得到当前扫描数据包中角度和位置数组对应的绝对空间坐标；对于第一组扫描数据包和陀螺仪数据包，则作为基础原点和后续数据包的参考；电池包16的电量信息通过控制单元14中的模数转换芯片1409读取后与扫描数据一同发送至手机客户端2接收。手机客户端2发送控制命令，通过控制单元14的数字IO接口1408控制指示激光单元13开关，指示激光单元13发射可见激光，用于引导使用人员放置设备至合适的位置。

使用本发明所提供手持式激光扫描仪，可以支持基于激光点云数据的门窗形状检测与提取，无需传统人工测量设备，只需要体积小、重量轻的手持设备，即可构建复杂场景的函数模型，对场景门窗进行形状检测和参数提取，为进一步提高勘测效率、减轻人力物力的损耗提供了新途径。优选建议的门窗形状检测与提取实现包括以下步骤：

(1)数据准备，对原始的点云数据进行预处理，得到去除粗差的点云数据。

实施例中，去除孤点、离群点和毛刺点：对于点云中一点Pg，如果其与最近点之间的距离远大于点云的平均点间距，则Pg点称为孤点；对于点云中一点Pl，如果按照某一预设距离阈值寻找其邻近点时只能找到k个，而第k+1个最近点与Pl及其前k个最近点之间的距离都远大于距离阈值，则Pl及其k个最近点称为离群点，离群点与孤点的区别是离群点成簇出现，单个离群点即为孤点；对于点云中一点Ps，如果Ps距离其所在位置的点云表面并无孤立现象，但Ps的存在影响其所在局部表面的光滑性，则Ps称为毛刺点(不光顺点)。具体实施时，探测孤点利用加权平均距离去除法，离群点利用格网探测法。

(2)边缘提取，包括对步骤1所得去除粗差的点云数据进行边缘提取，实施例利用Candy算法拟合边缘，然后通过端点检测、交叉点跟踪、闭合边缘跟踪等算法实现边缘的完整性提取。

具体实施时，可以参考现有用于边缘检测的方法，大致可分为两类：基于搜索和基于零交叉。

基于搜索的边缘检测方法首先计算边缘强度，通常用一阶导数表示，例如梯度模，然后，用计算估计边缘的局部方向，通常采用梯度的方向，并利用此方向找到局部梯度模的最大值。

基于零交叉的方法找到由图像得到的二阶导数的零交叉点来定位边缘。通常用拉普拉斯算子或非线性微分方程的零交叉点。

滤波做为边缘检测的预处理通常是必要的，通常采用高斯滤波。

(3)形状判断，根据边缘提取的结果判断该门窗点云标志形状是矩形、圆形、三角形或L形等。

形状的判断是十分关键的一步，只有形状判断正确了，才能使用正确的函数模型来拟合离散的点云数据。

常见的门框(窗框)形状有：矩形，下部分矩形上部分圆弧，下部分矩形上部分三角，L形，因此，本发明设计最高效合理的区分方式，先从中部格网点数量判断是否为L形，然后分割上下左右部分，通过拟合判断上部分形状。

区分门框形状的技术路线如下：

(3.1)首先，将三维点云向垂直于门框平面方向投影至二维，然后将二维点云图划分格网，提取中间位置的内部网格。例如划分为30乘30的网格，认为中心区域的24乘24的区域为内部网格。

(3.2)然后，根据划分格网结果，判断内部的格网的点数是否大于相应阈值，若是，则认为是L形，结束判断，然后用6条直线拟合门窗的6条边，进入步骤(5)；若不是，则认为是其他形状，进入(3.3)继续判断。L形门窗的内部的格网的点数大于阈值。其中，阈值的设定可以靠实验最优结果得到：设置阈值的最大和最小值，设置每次实验中阈值的改变量，然后改变阈值重复实验，得到实验结果最优情况下的阈值。即阈值的设定需考虑实际情况。

(3.3)然后，将点云的边缘提取结果分割为上下左右四个部分。

(3.4)用上部分拟合出一条直线，得到拟合的直线与上部分的相关系数，公式如下：

其中，R(X,Y)是相关系数，Y为拟合得到的直线点的值，X值为原始上部分点的值。Cov(X,Y)为X与Y的协方差，Var[X]为X的方差，Var[Y]为Y的方差。

当拟合的相关系数R大于预设的阈值，则认为门窗形状是矩形，结束判断，进入(4)；若不是，则认为是别的形状，进行下一步判断。其中，具体实施时阈值的设定可以靠实验最优结果得到。

(3.5)用圆弧去拟合上部分，并用两段直线去拟合上部分，即用上部分拟合出一条圆弧，具体实施时可通过matlab函数实现，得到拟合的圆弧与上部分的相关系数；即用上部分拟合出两段直线(三角形的两边腰线，通常是等腰三角形)，得到拟合的两端直线与上部分的相关系数。设分别得到拟合的相关系数R1和R2，相关系数的计算公式见上。比较之，若R1>＝R2，表明圆弧形拟合的程度更好，则认为门窗上方是圆弧形，反之则门窗上方是三角形。进入(4)。

基于本发明提出的特定形状拟合方法得到门窗形状，精度在于拟合关系系数的大小判断，若关系系数大，则拟合效果好，则认为是该形状。采用本发明提供的分析过程，通过阈值的合理设定，可以较好的区分上述常见的门窗形状。基于此，该方法是一种新颖且高效的门窗点云形状分类检测方法。

(4)用直线拟合点云边缘的左，右，下部分。具体实施时，可以使用霍夫变换(hough变换)等方式实现直线检测，拟合点云形状并获取形状参数，得到门窗的左右下的拟合结果。

除本步骤外，步骤(3.2)用6条直线拟合门窗的6条边、(3.4)用上部分拟合出一条直线、(3.5)用两段直线去拟合上部分，同样都可以采用hough变换：在原始图像坐标系下的一个点对应了参数坐标系中的一条直线，同样参数坐标系的一条直线对应了原始坐标系下的一个点，然后，原始坐标系下呈现直线的所有点，它们的斜率和截距是相同的，所以它们在参数坐标系下对应于同一个点。这样在将原始坐标系下的各个点投影到参数坐标系下之后，看参数坐标系下有没有聚集点，这样的聚集点就对应了原始坐标系下的直线。

其中，k表示直线斜率，b表示直线截距，(x,y)是直角坐标系下的坐标，(ρ，θ)表示极坐标系下的坐标。

(5)误差控制，首先对拟合数据与点云数据逐点计算拟合误差，然后计算决定系数。为保证方法结果的精准度，计算决定系数R²。R²是决定系数，通过数据的变化来表征一个拟合的好坏。

其中，w_i是权重，y_i是观测值，

是估计值，

是观测值的平均值。由上面的表达式可知R²的正常取值范围为[0，1]，越接近1，表明这个模型对数据拟合的越好。具体实施时，可以在决定系数大于相应阈值则采用，输出形状参数和类别，否则放弃拟合结果，以进一步保证准确度。

具体实施时，可以通过本发明所提供手持式激光扫描仪，将数据传输到远程服务器或手机客户端，通过软件方式执行以上流程实现对场景门窗进行形状检测和参数提取。

本文中所描述的具体实例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种用于室内门窗测量的手持式激光扫描仪，其特征在于：该扫描仪由陀螺仪模块(11)、扫描模块(12)、指示激光单元(13)、控制单元(14)、无线收发模块(15)和电池包(16)组成，陀螺仪模块(11)、扫描模块(12)、指示激光单元(13)、无线收发模块(15)和电池包(16)分别连接控制单元(14)，无线收发模块(15)与用户的手机客户端(2)建立无线信号连接，测量数据由扫描模块(12)传输至控制单元(14)中，再由控制单元(14)通过无线收发模块(15)以无线信号的方式传输至手机客户端(2) 中，用于执行以下流程实现对场景门窗进行形状检测和参数提取，

步骤1，数据准备，包括对原始的点云数据进行预处理，得到去除粗差的点云数据；

步骤2，边缘提取，包括对步骤1所得去除粗差的点云数据进行边缘提取；

步骤3，形状判断，包括根据边缘提取的结果判断该点云形状，

步骤3.1，将三维点云向垂直于门框平面方向投影至二维，然后将二维点云图划分格网，提取中间位置的内部网格；

步骤3.2，判断内部格网的点数是否大于预设的相应阈值，若是，则认为是L形，结束判断，用6条直线拟合门窗的6条边，进入步骤5；若不是，则认为是其他形状，进入步骤3.3；

步骤3.3，将点云的边缘提取结果分割为上下左右四个部分；

步骤3.4，用上部分拟合出一条直线，得到拟合的直线与上部分的相关系数，当拟合的相关系数R大于预设的相应阈值，则认为门窗形状是矩形，结束判断，进入步骤4；若不是，则认为是别的形状，进入步骤3.5；

步骤3.5，用圆弧去拟合上部分，得到拟合的相关系数R1；用两段直线去拟合上部分，得到拟合的相关系数R2，若R1>＝R2，则认为门窗上方是圆弧形，反之则门窗上方是三角形；

步骤4，用直线拟合点云边缘的左、右和下部分；

步骤5，误差控制，包括拟合数据与点云数据逐点计算拟合误差，然后计算决定系数，提取出决定系数满足相应阈值的拟合参数。

2.根据权利要求1所述用于室内门窗测量的手持式激光扫描仪，其特征在于：所述控制单元(14)内部包含第一串口输出端(1401)、第一串口输入端(1402)、第二串口输出端(1403)、第二串口输入端(1404)、第三串口输出端(1405)、第三串口输入端(1406)、PWM脉冲输出端(1407)、数字IO接口(1408)、模数转换芯片(1409)、电源管理芯片(1410)、电压转换芯片(1411)、第一电压输出接口(1412)、第二电压输出接口(1413)、第三电压输出接口(1414)和第四电压输出接口(1415)；

所述手持式激光扫描仪中，陀螺仪模块(11)的电源输入端连接控制单元(14)中的第一电压输出接口(1412)，陀螺仪模块(11)的串口输出端连接控制单元(14)中的第一串口输入端(1402)，陀螺仪模块(11)的串口输入端连接控制单元(14)中的第一串口输出端(1401)；扫描模块(12)的电源输入端连接控制单元(14)的第二电压输出接口(1413)，扫描模块(12)的串口输出端连接控制单元(14)的第二串口输入端(1404)，扫描模块(12)的串口输入端连接控制单元(14)的第二串口输出端(1403)，扫描模块(12)的电机控制输入端连接控制单元(14)的PWM脉冲输出端(1407)；指示激光单元(13)的电源输入端连接控制单元(14)的第四电压输出接口(1415)，指示激光单元(13)的控制输入端连接控制单元(14)中的数字IO接口(1408)；无线收发模块(15)的电源输入端连接控制单元(14)中的第三电压输出接口(1414)，无线收发模块(15)的串口输出端连接控制单元(14)中的第三串口输入端(1406)；电池包(16)供电输出端连接控制单元(14)中的电压转换芯片(1411)的输入端，电池包(16)的充电输入端连接控制单元(14)中电源管理芯片(1410)的充电输出端；

所述手持式激光扫描仪的控制单元(14)中，电压转换芯片(1411)的输入端同时连接到模数转换芯片(1409)的输入端；电压转换芯片(1411)的输出端分别连接第一电压输出接口(1412)、第二电压输出接口(1413)、第三电压输出接口(1414)和第四电压输出接口(1415)。

3.根据权利要求1或2所述用于室内门窗测量的手持式激光扫描仪，其特征在于：测量数据由扫描模块(12)传输至控制单元(14)中，再由控制单元(14)通过无线收发模块(15)以无线信号的方式传输至手机客户端(2) 中；手机客户端(2)的控制命令由无线信号的方式传输至无线收发模块(15)接收，再通过控制单元(14)发送至各个功能模块执行；实现方式如下，

扫描模块(12)开始工作的同时控制单元(14)接收陀螺仪模块(11)的位置数据；将扫描模块(12)和陀螺仪模块(11)的数据同时读取，并标记编号后存入缓存芯片中，再从缓存芯片中按照数据编号一一对应取出，将取出的数据发送至无线收发模块(15)，再通过无线信号采用数据包方式传输至手机客户端(2)接收，并处理得到最终结果；

处理方式为，用户端收到数据后，首先根据数据包中的数据编号判断扫描数据包和陀螺仪数据包是否对应，如不对应则说明数据包不是同一时刻的测量结果，丢弃；判断数据包对应后，将扫描数据包中的扫描模块(12)数据所含角度和位置数组提取出来，同时将陀螺仪数据包中的陀螺仪模块(11)数据所含三轴角度、三轴加速度和时间数组提取，构建扫描数据测量时刻的坐标系，并根据前一个陀螺仪数据包的三轴角度、三轴加速度和时间数组，对所构建的坐标系进行偏移和翻转；得到当前扫描数据包中角度和位置数组对应的绝对空间坐标；对于第一组扫描数据包和陀螺仪数据包，则作为基础原点和后续数据包的参考；电池包(16)的电量信息通过控制单元(14)读取后与扫描数据一同发送至手机客户端(2)接收，手机客户端(2)发送控制命令，通过控制单元(14)控制指示激光单元(13)开关，指示激光单元(13)发射可见激光，用于引导使用人员放置设备至合适的位置。

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