CN108535736A - 三维点云数据获取方法及获取系统 - Google Patents

Abstract

本发明为三维点云数据获取方法，包括如下步骤：获取旋转云台当前位置，得出当前位置与初始位置的夹角；所述旋转云台根据设置的步进角度和上位机发送的旋转方向转动，每转动一步，二维激光雷达扫描一次，记录雷达反馈的所有点深和角度，并记录当前所述旋转云台的旋转角度

Description

三维点云数据获取方法及获取系统

技术领域

本发明涉及测绘系统，具体的,其展示用于逆向工程以及移动机器人三维地图重建中由激光雷达和云台搭建的三维点云数据获取的一种三维点云数据获取方法,同时,其还展示利用三维点云数据获取方法进行三维点云数据获取的获取系统。

背景技术

随着信息时代各行各业对空间数据需求的日益增长,常规的数据获取方式和数据处理模式已经不能满足信息化需要，在测绘系统，数字城市三维重建，逆向工程中，测量的数据从二维形式向三维形式转换，三维点云数据获取作为系统的基础成为必不可少的部分。高精度、便携、结构简单易搭、价格是三维点云数据获取系统的几个关键因素。

目前高精度的三维点云数据获取主要依靠市面上昂贵的三维激光扫描仪，其采用非接触式高速激光测量方式，能够直接较快捷地获取目标物体高精度三维点云数据；

三维激光扫描仪主要由测距系统和激光扫描系统构成，目前激光测距原理使用较多的主要有脉冲测距法、基于相位测距法和激光三角法三种基本类型，激光扫描系统常用的是多棱镜扫描、光机扫描、全息光栅扫描和电镜扫描技术；

三维激光扫描系统的主要技术要求包括高精度的小角度扫描间隔、大范围的扫描幅度和高帧频成像技术：扫描时一方面通过内置驱动马达系统精密控制多面反射镜的转动并进行精密光栅测角,另一方面通过扫描系统可以使脉冲激光束在预设范围内分别沿横轴方向和纵轴方向快速扫描；

然而三维激光扫描仪结构复杂，价格十分昂贵，并且体积通常比较庞大，不适合三维测量系统的推广与使用。

因此，有必要提供一种三维点云数据获取方法及获取系统来解决上述问题。

发明内容

本发明的目之一的是提供一种三维点云数据获取方法，其可实现利用二维激光雷达完成三维环境信息获取，其雷达信息转化成三维坐标信息的计算方法适用于多种类型激光和云台装置，可移植性强，可适用于普通移动机器人上，也可用于其他移动设备之上，获取的三维点云信息覆盖全面，存储方式合理，为后续地图重建的点云数据处理提供精确的数据，极大的方便了数据处理工作。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：

一种三维点云数据获取方法，包括如下步骤：

1）获取旋转云台当前位置，得出当前位置与初始位置的夹角；

2）所述旋转云台根据设置的步进角度和上位机发送的旋转方向转动，每转动一步，二维激光雷达扫描一次，记录雷达反馈的所有点深和角度，并记录当前所述旋转云台的旋转角度；

3）将所述二维激光雷达采集的三维点云数据信息通过坐标系转换将球坐标向笛卡尔坐标变换，具体操作如下：

三维点云数据在球坐标系为，其中：为旋转云台当前位置与初始位置得夹角，即；即为点深；线段op为原点0与激光雷达采集单点的连线，为线段op与二维激光雷达扫描中心线的夹角，且：

当大于135°时，；

当小于135°时，；

根据球坐标系与笛卡尔坐标系得转换原理可得为：

4）待旋转云台180°旋转完毕，将所有点云数据的笛卡尔坐标值依次以绕z轴逆时针或顺时针方向存储，并打包发送至上位机。

与现有技术相比，本发明的三维点云数据获取方法，其可实现二维激光雷达三维环境信息获取，其雷达信息转化成三维坐标信息的计算方法适用于多种类型激光和云台装置，可移植性强，可适用于普通移动机器人上，也可用于其他移动设备之上，获取的三维点云信息覆盖全面，存储方式合理，为后续地图重建的点云数据处理提供精确的数据，极大的方便了数据处理工作。

本发明的目的之二在于提供一种三维点云数据获取系统，包括移动机器人、搭载于所述移动机器人上的旋转云台、连接于所述旋转云台上的二维激光雷达、以及与所述旋转云台、所述二维激光雷达均相配合使用的通过权利要求1所述的三维点云数据获取方法进行三维点云数据获取的三维云点获取软件。

进一步的，所述移动机器人包括用于对所述旋转云台进行供电的驱动电源、用于搭载所述旋转云台的搭载平台、移动驱动装置。

进一步的，所述旋转云台水平搭载于所述移动机器人上，且至少可进行180°旋转。

进一步的，所述旋转云台上设置有通讯串口或通讯网口。

进一步的，所述二维激光雷达垂直连接于所述旋转云台，二维激光雷达的扫描平面与旋转云台的水平旋转平面垂直，二维激光雷达的发射端口竖直朝上。

其中：

所述二维激光雷达与所述旋转云台协同工作，根据自身的位置关系以及各自的步进顺序转换成立体三维空间坐标，二维激光雷达扫描范围为以发射端口为中心，在其扫描平面上形成扇形，旋转云台搭载上述的二维激光雷达水平旋转180度，旋转云台步进时间大于激光雷达扫描一次的时间；

上位机通过串口或者网口与所述旋转云台和所述二维激光雷达通讯，通过程序控制旋转云台旋转180度，旋转步进角度由软件设置，旋转云台每转动一次，二维激光雷达扫描一次，待180度旋转并二维激光雷达扫描完成之后，数据打包通过串口发送至上位机；

软件程序通过所述二维激光雷达一次扫描时的扫描机理，得到二维激光雷达每次扫描中各个点在激光雷达扫描平面的角度和距离信息，加之通过旋转云台反馈的初始位置以及当前时刻的步进次数而得到的在旋转平面的角度，可以得到各个点在旋转云台与二维激光雷达组成的三维空间坐标系下的三维坐标。

与现有技术相比，发明的三维点云数据获取系统，其可实现利用二维激光雷达完成三维环境信息获取，其雷达信息转化成三维坐标信息的计算方法适用于多种类型激光和云台装置，可移植性强，可适用于普通移动机器人上，也可用于其他移动设备之上，获取的三维点云信息覆盖全面，存储方式合理，为后续地图重建的点云数据处理提供精确的数据，极大的方便了数据处理工作。

附图说明

图1是本发明的实施例结构示意图。

图2是本发明的实施例中坐标系示意图。

图3是本发明的实施例中二维激光雷达扫描示意图。

具体实施方式

实施例：

参照图1-3，本实施例展示一种三维点云数据获取系统，其三维点云数据获取装置如图1所示，包括移动机器人1，旋转云台2，二维激光雷达3。

所述的移动机器人1，可自由移动于水平地面，崎岖地面，移动机器人1可提供电机驱动电源，并且可对旋转云台2提供电源以及搭载平台。

所述的旋转云台2，水平搭载在移动机器人1上，旋转云台2可水平旋转，旋转云台2水平旋转面与移动机器人1水平面平行，旋转云台2水平方向可进行至少180度旋转，上述旋转云台2可通过串口或网口与外界通讯。

所述的二维激光雷达3，竖直连接于上述旋转云台2之上，二维激光雷达3的扫描平面与旋转云台2的水平旋转平面垂直，二维激光雷达3的发射端口竖直朝上，其意义是指，如图3所示，激光雷达扫描中心线6竖直向上。

所述的三维点云数据获取装置，其采集数据的原理在于：二维激光雷达3与旋转云台2协同工作，根据自身的位置关系以及各自的步进顺序转换成立体三维空间球坐标（如图2所示），坐标系原点为二维激光雷达3的激光发射中心。二维激光雷达3扫描范围为以发射端口为中心，在其扫描平面上形成扇形（如图3所示），旋转云台2搭载上述的二维激光雷达3水平旋转180度，旋转云台2步进时间大于二维激光雷达3扫描一次的时间。

所述得三维点云数据获取软件，实现步骤如下：

1）对旋转云台2和二维激光雷达3进行初始化，同时确定旋转云台2的步进角度和二维激光雷达3的扫描频率。

2）获取旋转云台2当前位置，即当前位置与初始位置的夹角。

3）旋转云台2根据设置的步进角度和上位机发送的旋转方向转动，每转动一步，二维激光雷达3扫描一次，记录雷达反馈的所有点深和角度，并记录当前旋转云台2的旋转角度。

4）将二维激光雷达3采集的三维点云数据信息通过坐标系转换将球坐标向笛卡尔坐标变换，具体操作如下：

A.图3为二维激光雷达扫描平面4的具体显示，结合图2图3，上述三维点云数据在球坐标系为，其中：为旋转云台2当前位置与初始位置得夹角，即上述；即为点深；线段op为原点0与激光雷达采集单点5的连线，为线段op与激光雷达扫描中心线6的夹角，由图3可知：

当大于135°时，；

当小于135°时，；

B.根据球坐标系与笛卡尔坐标系得转换原理可得为：

5）待旋转云台180°旋转完毕，将所有点云数据的笛卡尔坐标值依次以绕z轴逆时针或顺时针方向（由上述上位机发送的旋转方向决定）存储，并打包发送至上位机。

与现有技术相比，本实施例的三维点云数据获取系统，其可实现利用二维激光雷达完成三维环境信息获取，其雷达信息转化成三维坐标信息的计算方法适用于多种类型激光和云台装置，可移植性强，可适用于普通移动机器人上，也可用于其他移动设备之上，获取的三维点云信息覆盖全面，存储方式合理，为后续地图重建的点云数据处理提供精确的数据，极大的方便了数据处理工作。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种三维点云数据获取方法，其特征在于：

包括如下步骤：

1）获取旋转云台当前位置，得出当前位置与初始位置的夹角；

2）所述旋转云台根据设置的步进角度和上位机发送的旋转方向转动，每转动一步，二维激光雷达扫描一次，记录雷达反馈的所有点深和角度，并记录当前所述旋转云台的旋转角度；

3）将所述二维激光雷达采集的三维点云数据信息通过坐标系转换将球坐标向笛卡尔坐标变换，具体操作如下：

三维点云数据在球坐标系为，其中： 为旋转云台当前位置与初始位置得夹角，即；即为点深；线段op为原点0与激光雷达采集单点的连线，为线段op与二维激光雷达扫描中心线的夹角，且：

当大于135°时，；

当小于135°时，；

根据球坐标系与笛卡尔坐标系得转换原理可得为：

4）待旋转云台180°旋转完毕，将所有点云数据的笛卡尔坐标值依次以绕z轴逆时针或顺时针方向存储，并打包发送至上位机。

2.一种三维点云数据获取系统，其特征在于：包括移动机器人、搭载于所述移动机器人上的旋转云台、连接于所述旋转云台上的二维激光雷达、以及与所述旋转云台、所述二维激光雷达均相配合使用的通过权利要求1所述的三维点云数据获取方法进行三维点云数据获取的三维云点获取软件。

3.根据权利要求2所述的三维点云数据获取系统，其特征在于：所述移动机器人包括用于对所述旋转云台进行供电的驱动电源、用于搭载所述旋转云台的搭载平台、移动驱动装置。

4.根据权利要求3所述的三维点云数据获取系统，其特征在于：所述旋转云台水平搭载于所述移动机器人上，且至少可进行180°旋转。

5.根据权利要求3所述的三维点云数据获取系统，其特征在于：所述旋转云台上设置有通讯串口或通讯网口。

6.根据权利要求2-5任意一项所述的三维点云数据获取系统，其特征在于：所述二维激光雷达垂直连接于所述旋转云台，二维激光雷达的扫描平面与旋转云台的水平旋转平面垂直，二维激光雷法的发射端口竖直朝上。