CN110553598B

CN110553598B - 一种计算机控制的三维激光扫描方法

Info

Publication number: CN110553598B
Application number: CN201810541163.9A
Authority: CN
Inventors: 郭圣楠; 黄俊杰; 朱晓峰; 李昂; 陈涛
Original assignee: Shanghai Vigor Technology Development Co ltd
Current assignee: Shanghai Vigor Technology Development Co ltd
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2018-05-30
Publication date: 2021-03-16
Anticipated expiration: 2038-05-30
Also published as: CN110553598A

Abstract

一种计算机控制的三维激光扫描方法，扫描方式为往复式扫描，包括以下操作步骤：A)、上位机控制系统的初步定位；B)、上位机控制系统与下位机控制系统的指令交互；②下位机控制系统将控制指令执行信息反馈给上位机控制系统；C)、上位机控制系统的第一数据采集；D)、下位机控制系统的第一数据采集和上传；E)、上位机控制系统的位置调整；F)、上位机控制系统的第n数据采集；G)、下位机控制系统的第n数据采集和上传：H)、重复以上步骤E)～G)，直至多个第n数据采集完成。本发明得到了平滑的点云数据，减小了建模误差，提高了施工速度和效率，改善了施工环境以及施工的精细化，施工质量都得到大幅度的提高。

Description

一种计算机控制的三维激光扫描方法

技术领域

本发明属于机械制造、智能控制、测绘技术领域，特别涉及一种计算机控制的三维激光扫描方法。

背景技术

目前智慧型机械以及自动化产业在技术的机械制造及智能控制领域遍地开花，并推动全新的流程质量管理，其对施工过程以及施工人员产生积极的影响。生产商和工厂工程师们紧密合作，不断在寻找满足原本视为非自动化的最严苛制造流程的全新、高效自动化解决方案，以满足之前被认为是不可自动化的最苛刻的施工程序。

现有的机械是人工控制，在隧道等高危环境中，存在施工效率低，速度慢，危险性高，以及施工精细化程度低，质量难以控制等缺点。

传统测量概念里，所测的数据最终输出的都是二维结果(如CAD出图)，在测量仪器里全站仪，GPS比重居多，但测量的数据都是二维形式的，在逐步数字化的今天，三维已经逐渐的代替二维，因为其直观是二维无法表示的，三维激光扫描仪每次测量的数据不仅仅包含X、Y、Z点的信息，还包括R，G，B颜色信息，同时还有物体反色率的信息，这样全面的信息能给人一种物体在电脑里真实再现的感觉，是一般测量手段无法做到的。三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势；三维激光扫描技术是一种全自动高精度立体扫描技术，它利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。该技术在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域也有了很多的尝试、应用和探索。

三维扫描仪对一个物体的扫描需要在若干个位置分几次进行，由于激光是沿直线传播的，这决定了在1个扫描角度只能得到一个物体的完整表面采样数据，必须在多个方向和角度对一个物体扫描，即多视点云；每一个扫描位置都有自己的局部坐标系，多视点云的拼接也就是把各个局部坐标系通过坐标变换统一到一个坐标系中，因此如何把不同视点得到的点云数据统一到一个坐标系中，也就是多视点云的拼接问题也成为研究的热点；ICP(iterative closest point)迭代最近点算法是目前解决多视拼接问题的一种基本算法，比利用标定物拼接的方法精度更高。

现有技术的三维激光扫描仪作用在于获得点云数据，在工作过程中：首先进行垂直方向的线扫描，然后按照设定的水平角分辨率水平转动，再进行垂直方向线扫描，这样的工作过程虽然很有规律的，存在得到的点云散乱，建模误差大的技术缺陷。

如何设计一种三维激光扫描方法得到平滑的点云数据，如何减小建模误差提高施工速度和效率，成为急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是要解决上述技术问题，提供一种计算机控制的三维激光扫描方法。

一种计算机控制的三维激光扫描方法，包括上位机控制系统、下位机控制系统，上位机控制系统与下位机控制系统双向连接，下位机控制系统与云端处理机连接，扫描方式为往复式扫描，包括以下操作步骤：

A)、上位机控制系统的初步定位：

上位机控制系统由主轴控制装置、辅轴控制装置、激光控制装置、数据采集和处理模块组成；上位机控制系统调整至初始位置后，通过主轴控制装置、辅轴控制装置收集初步定位的第一坐标系信息；

B)、上位机控制系统与下位机控制系统的指令交互：

①上位机控制系统定位后，发送定位信息给下位机控制系统；

②下位机控制系统将控制指令执行信息反馈给上位机控制系统；

C)、上位机控制系统的第一数据采集：

上位机控制系统根据控制指令控制激光控制装置进行三维激光往复式扫描，采集第一数据并进行处理；

D)、下位机控制系统的第一数据采集和上传：

①上位机控制系统将处理好的第一数据发送给下位机控制系统；

②下位机控制系统将收到的第一数据信息进行上传；

E)、上位机控制系统的位置调整：

①上位机控制系统移动至另一个位置，通过主轴控制装置、辅轴控制装置收集定位的第n坐标系信息；

②重复以上步骤B)；

F)、上位机控制系统的第n数据采集：

上位机控制系统根据控制指令控制激光控制装置进行三维激光往复式扫描，采集第n数据并进行处理；

G)、下位机控制系统的第n数据采集和上传：

①上位机控制系统将处理好的第n数据发送给下位机控制系统；

②下位机控制系统将收到的第n数据信息进行上传；

H)、重复以上步骤E)～G)，直至多个第n数据采集完成。

所述的步骤B)～C)中，下位机控制系统的控制指令执行信息中设有位置调整信息，上位机控制系统根据控制指令控制主轴控制装置、辅轴控制装置进行定位安装校准。

所述的步骤D)及步骤H)中，下位机控制系统将分别收到的第一数据、多个第n数据信息进行上传至云端处理机，云端处理机将各个局部坐标系通过坐标变换统一到一个坐标系中，通过迭代最近点算法将扫描的第一数据、多个第n数据合成完整的三维物体。

所述的步骤C)及步骤H)中，上位机控制系统对第一数据、多个第n数据进行的处理包括噪声点的消除、点云数据的简化；

测量中由于测量仪器以及其他方面的因素，噪声点的存在不可避免，而噪声点对重建工作有很大的影响，和目标无关的非主体部分视为噪声除去；

原始点云数据的密度过大，增加了无用的数据量，故进行数据简化。

所述的步骤C)及步骤F)中，三维激光往复式扫描的方法为：从物体的左侧的A点开始向右扫描，扫描到右侧的B点，再向下扫描一段距离，然后再相对于第一条扫描线向左扫描，扫描到左侧的C点后，再向下扫描一段距离，如此往复循环，直到扫描完指定的位置，获得相应的点云数据。

本发明的往复式扫描通过对被扫描空间，根据点云覆盖要求，分割成线条的方式进行扫描，结合扫描的动力装置结构，使扫描的速度和效率都达到最优的状态，提高了点云的采集效率，提高了精度，得到了平滑的点云数据，减小了建模误差，提高了施工速度和效率，改善了施工环境以及施工的精细化，施工质量都得到大幅度的提高，推广应用具有良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明的工序流程图。

图2是本发明的实施例一的示意图。

图3是本发明的实施例二的示意图。

图4是本发明的实施例三的示意图。

图5是本发明的实施例四的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限制。

A)、上位机控制系统的初步定位：

B)、上位机控制系统与下位机控制系统的指令交互：

C)、上位机控制系统的第一数据采集：

D)、下位机控制系统的第一数据采集和上传：

②下位机控制系统将收到的第一数据信息进行上传；

E)、上位机控制系统的位置调整：

②重复以上步骤B)；

F)、上位机控制系统的第n数据采集：

G)、下位机控制系统的第n数据采集和上传：

②下位机控制系统将收到的第n数据信息进行上传；

H)、重复以上步骤E)～G)，直至多个第n数据采集完成；

所述的步骤B)～C)中，下位机控制系统的控制指令执行信息中设有位置调整信息，上位机控制系统根据控制指令控制主轴控制装置、辅轴控制装置进行定位安装校准；

所述的步骤D)及步骤H)中，下位机控制系统将分别收到的第一数据、多个第n数据信息进行上传至云端处理机，云端处理机将各个局部坐标系通过坐标变换统一到一个坐标系中，通过迭代最近点算法将扫描的第一数据、多个第n数据合成完整的三维物体；

原始点云数据的密度过大，增加了无用的数据量，故进行数据简化；

具体实施时，本发明是由工业控制计算机控制伺服机构，根据计算机的控制，以本发明的扫描方法来进行扫描，得到三维点云数据；在这个扫描过程中，三维激光扫描仪的扫描动作，是在软件库的控制下，全自动扫描的，在实现过程中，通过本发明的扫描方式——往复式扫描，即从物体的某一点开始扫描，扫描到某一点，再向下扫描一段距离，然后再相对于第一条扫描线向后扫描，扫描到某一点后，再向下扫描一段距离，如此往复循环，直到扫描完指定的位置，获得相应的平滑的点云数据；以上往复式扫描的线条可以平行，可以交叉，可以是直线，可以是曲线，也可以隔行扫描。往复式扫描通过对被扫描空间，根据点云覆盖要求，分割成线条的方式进行扫描，结合扫描的动力装置结构，使扫描的速度和效率都达到最优的状态，对于提高点云的采集效率，精度的提高都有好处。

实施例一、如图2所示，三维激光往复式扫描的方法为：从物体的左侧的A点开始向右直线扫描，扫描到右侧的B点，再向下直线扫描一段距离，然后再向左直线扫描，扫描到左侧的C点后，再向下直线扫描一段距离，如此往复循环，直到扫描完指定的位置，获得相应的点云数据。

实施例二、如图3所示，三维激光往复式扫描的方法为：从物体的左侧的A点开始向右上方直线向圆弧段过渡扫描，扫描到右侧的B点，再向左下方圆弧段扫描一段距离，然后再向左直线扫描，扫描到左侧的C点后，再向左下方圆弧段扫描一段距离，扫描到左侧的D点后，再向右下方直线向圆弧段过渡扫描，扫描到右侧的E点，再向左下方圆弧段扫描一段距离，圆弧段向左上方直线变圆弧段过渡扫描，扫描到左侧的F点后，再向右下方圆弧段扫描到右侧的G点，再向左下方圆弧段扫描到左侧的H点，再向右下方扫描一段距离，如此往复循环，直到扫描完指定的位置，获得相应的点云数据。

实施例三、如图4所示，三维激光往复式扫描的方法为：从物体的左侧的A点开始向右直线扫描，扫描到右侧的B点，然后再向左下方斜线扫描，扫描到左侧的C点，如此往复循环，直到扫描完指定的位置，获得相应的点云数据。

实施例四、如图5所示，三维激光往复式扫描的方法为：从物体的左侧的A点开始向右直线变圆弧段扫描，扫描到右侧的B点，再向左下方圆弧段扫描一段距离，然后再向左下斜线扫描，扫描到左侧的C点后，再向右下方圆弧段扫描到右侧的D点后，再向左下方直线扫描一段距离，直线依次向圆弧段、直线过渡扫描，扫描到左侧的E点，如此往复循环，直到扫描完指定的位置，获得相应的点云数据。

以上列举部分扫描图形，符合以上往复扫描原理，包括但不限于以上图形。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims

1.一种计算机控制的三维激光扫描方法，包括上位机控制系统、下位机控制系统，上位机控制系统与下位机控制系统双向连接，下位机控制系统与云端处理机连接，其特征在于：扫描方式为往复式扫描，包括以下操作步骤：

A)、上位机控制系统的初步定位：

B)、上位机控制系统与下位机控制系统的指令交互：

C)、上位机控制系统的第一数据采集：

D)、下位机控制系统的第一数据采集和上传：

②下位机控制系统将收到的第一数据信息进行上传；

E)、上位机控制系统的位置调整：

②重复以上步骤B)；

F)、上位机控制系统的第n数据采集：

G)、下位机控制系统的第n数据采集和上传：

②下位机控制系统将收到的第n数据信息进行上传；

H)、重复以上步骤E)～G)，直至多个第n数据采集完成。

2.根据权利要求1所述的一种计算机控制的三维激光扫描方法，其特征在于：所述的步骤B)～C)中，下位机控制系统的控制指令执行信息中设有位置调整信息，上位机控制系统根据控制指令控制主轴控制装置、辅轴控制装置进行定位安装校准。

3.根据权利要求1所述的一种计算机控制的三维激光扫描方法，其特征在于：所述的步骤D)及步骤H)中，下位机控制系统将分别收到的第一数据、多个第n数据信息进行上传至云端处理机，云端处理机将各个局部坐标系通过坐标变换统一到一个坐标系中，通过迭代最近点算法将扫描的第一数据、多个第n数据合成完整的三维物体。

4.根据权利要求1所述的一种计算机控制的三维激光扫描方法，其特征在于：所述的步骤C)及步骤H)中，上位机控制系统对第一数据、多个第n数据进行的处理包括噪声点的消除、点云数据的简化。

5.根据权利要求1所述的一种计算机控制的三维激光扫描方法，其特征在于：所述的步骤C)及步骤F)中，三维激光往复式扫描的方法为：从物体的左侧的A点开始向右扫描，扫描到右侧的B点，再向下扫描一段距离，然后再相对于第一条扫描线向左扫描，扫描到左侧的C点后，再向下扫描一段距离，如此往复循环，直到扫描完指定的位置，获得相应的点云数据。