CN111948667A - 三维扫描系统 - Google Patents

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王春晓
雷少坤
何婕
严柯
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G—PHYSICS
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    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning

Abstract

本发明公开了一种三维扫描系统，包括单线激光雷达和转动模组，单线激光雷达受控于控制器实现单束光二维扫描；转动模组受控于单线激光雷达的控制器实现转盘的转动，单线激光雷达固定在转盘；单线激光雷达的出光中心与转盘的旋转中心一致。本发明的三维扫描系统，结构上由单线激光雷达和转动模组组成，单线激光雷达固定在转动模组上转动，实现三维立体扫描效果，整体结构不约束三维扫描系统的安装角度，适用场景多样。由单线激光雷达内部的控制器协同控制单线激光雷达和移动模组，且单线激光雷达的出光中心与转盘的旋转中心一致，不仅可以提升激光雷达三维扫描系统的测距精度，还降低单线激光雷达内外信号同步处理的难度，结构简单，易于安装，成本低。

Description

三维扫描系统
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种基于单线激光雷达的三维扫描系统。
背景技术
激光雷达因其具有极高的距离、角度、速度分辨率，极强的抗干扰能力，极小的测量误差和其轻便灵巧的特性而被广泛应用于地理测绘，环境监测，机器人导航避障和自动驾驶等领域。尤其以快速获取空间点云数据，快速建立起结构复杂的三维可视化模型为最优方案。
但是单线激光雷达的扫描范围有限，只能获得单个平面上二维坐标信息，无法满足日益增长的需求；而通过多线激光雷达可以实现三维扫描效果，但是技术难度非常大，不仅结构复杂，加工工艺要求高，而且光电器件价格又昂贵，使得多线激光雷达的应用成本非常高。
应对这样的困难，很多企业都给出了替代方案，通用原理都是在二维扫描的基础上再增加一个转向装置：
比如，公告号为CN210268550U的中国专利公开一种基于单线激光雷达的三维扫描仪，利用一个带有转轴，转动手柄，读码器，码盘，单点激光器等部件组成的旋转平台，实现带动一个单线激光雷达旋转，从而实现获取目标探测物周围立体三维数据，并需要多次重复旋转后，获得更为精准连续的周围环境三维数据。此结构虽然简单，但需要手动操作转动手柄，依赖人为操作，这也意味着不能同时大批量使用，适用场景有限。此结构还另外需要单点激光器，还要通过外部接插口才能读取码盘的转动数据，从而解算单线激光雷达的旋转角度，这就需要额外的计算器将旋转角度与单线激光数据结合解算后形成三维数据输出，这中间对各种信号数据的同步处理要求很高，增加了数据处理的难度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种三维扫描系统，使用单线激光雷达实现三维立体扫描效果，不仅可以提高激光雷达三维扫描系统的测距精度，还能减轻数据处理负担，结构简单，易于安装，成本低。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种三维扫描系统，包括，
单线激光雷达，包括控制器，其受控于所述控制器实现单束光二维扫描；
转动模组，受控于所述单线激光雷达的控制器实现转盘的转动，所述单线激光雷达固定在所述转盘；
所述单线激光雷达的出光中心与所述转盘的旋转中心一致。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述转动模组受控于所述单线激光雷达的控制器实现所述转盘摆动或者圆周转动。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述转盘摆动的角度支持自定义设置。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述转动模组包括转动变换部，所述转动变换部包括编码器、码盘和连接轴，所述码盘通过所述连接轴连接所述转盘，所述编码器通过检测所述码盘的转动确定出所述转盘的位置。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述编码器与所述控制器通信连接，将所述转盘的位置反馈至所述控制器，所述控制器根据位置反馈调整对所述转动模组的控制信号。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述转动模组包括动力部，所述动力部受控于所述控制器驱动所述转盘转动。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述动力部包括电机，所述电机通过联轴器连接所述转动模组。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述单线激光雷达的内部设有光学器件和驱动部件，所述驱动部件受控于所述控制器驱动所述光学器件转动，单束光经过所述光学器件反射形成二维激光扫描面。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述驱动部件将光学器件转动的角度反馈至所述控制器，所述控制器根据角度反馈调整对所述驱动部件的控制信号。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述驱动部件包括电机。
本发明的有益效果：
本发明的三维扫描系统，结构上由单线激光雷达和转动模组组成，单线激光雷达固定在转动模组上转动，实现三维立体扫描效果，整体结构不约束三维扫描系统的安装角度，适用场景多样。由单线激光雷达内部的控制器协同控制单线激光雷达和移动模组，且单线激光雷达的出光中心与转盘的旋转中心一致，不仅可以提升激光雷达三维扫描系统的测距精度，还降低单线激光雷达内外信号同步处理的难度，结构简单，易于安装，成本低。
附图说明
图1为本发明优选实施例中三维扫描系统的结构示意图；
图2为三维扫描系统的轴心结构示意图(单线激光雷达的出光中心与转盘的旋转中心保持一致)；
图3为三维扫描系统的侧视示意图；
图4为图3A-A方向剖视图。
图中标号说明：
2-单线激光雷达，4-转动模组，6-转盘，8-编码器，10-码盘，12-连接轴，14-电机，16-联轴器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例
本发明实施例公开一种三维扫描系统，该扫描系统为激光雷达三维扫描系统，参照图1～4所示，三维扫描系统包括单线激光雷达2和转动模组4，所述单线激光雷达2内部具有控制器、光学器件和驱动部件，驱动部件优选使用电机(包括但不限于伺服电机、步进电机)，驱动部件受控于控制器驱动光学器件转动，单线激光雷达利用一束红外光束发射和接收之间的时间差来计算距离，这一束红外光束经过单线激光雷达内部连续旋转的光学器件的反射会形成一个二维激光扫描面，与此同时单线激光雷达2机械固定在转动模组4的转盘6上，转动模组4受控于单线激光雷达2内部的控制器实现转盘6转动，单线激光雷达2跟随转盘6同步转动增加一个维度的激光扫描界面，从而与单线激光雷达固有的二维扫描一起形成一个三维立体扫描系统，实现三维立体扫描效果。
进一步的，本发明实施例的三维扫描系统，单线激光雷达2的出光中心与转盘6的旋转中心一致，能够实现高质量的信号同步，即单线激光雷达2固有的二维扫描信号和由转动模组4驱动单线激光雷达2旋转的第三个维度的扫描信号高质量同步，从而降低雷达内外数据同步处理难度。
具体的，所述单线激光雷达2内部的驱动部件将光学器件转动的角度反馈至所述控制器，所述控制器根据角度反馈调整对所述驱动部件的控制信号，形成单线激光雷达内部的闭环控制。所述转动模组受控于控制器实现转盘6转动，并将转盘6的位置反馈至所述控制器，所述控制器根据位置反馈调整转盘6的转速，形成单线激光雷达外部的闭环控制。控制器根据单线激光雷达2内部、外部的位置反馈微调对单线激光雷达2和转盘6的控制信号，实现对单线激光雷达内部和外部的闭环协同控制，因为该闭环反馈控制可以提供更加精准、误差更小的三维扫描数据，进而提升三维扫描系统的测距精度。
具体的，所述转动模组4还包括转动变换部和动力部，参照图4所示，所述转动变换部包括编码器8、码盘10和连接轴12，所述码盘10通过所述连接轴12连接所述转盘6，实现码盘10与转盘6同步转动，所述编码器8通过检测所述码盘10的转动确定出所述转盘6的位置。所述编码器8与所述控制器通信连接，将所述转盘6的位置反馈至所述控制器，所述控制器根据转盘6的位置反馈控制动力部以控制转盘6的转速。本实施例技术方案中，上述所述动力部包括电机14，所述电机14通过联轴器16连接所述转动模组4。
本实施例的第一种技术方案中，转盘6通过摆动实现单线激光雷达2第三个维度扫描，此处的摆动为以一定角度往复摆动，摆动角度支持自定义设置，以自定义调节单线激光雷达2的探测角度。
本实施例的第二种技术方案中，转盘6圆周转动实现单线激光雷达2第三个维度扫描。
本实施例公开的三维扫描系统具有以下技术优势：
1、除单线激光雷达本体外的装置外形规则，适应场景多样，可独立安装到任意角度，例如安装到天花板或侧墙，也方便安装到其它设备中，例如工业机器人或服务机器人上。
2、所有控制信号都来自于单线激光雷达内部的控制器，很容易做到激光雷达内外的信号同步，既提供更加精确的三维扫描数据，又不会增加数据信号同步处理的难度。
3、三维扫描数据直接从单线激光雷达的数据输出接口获取，不需要额外配备数据处理工具，很容易在其它设备上应用。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种三维扫描系统，其特征在于：包括，
单线激光雷达，包括控制器，其受控于所述控制器实现单束光二维扫描；
转动模组，受控于所述单线激光雷达的控制器实现转盘的转动，所述单线激光雷达固定在所述转盘；
所述单线激光雷达的出光中心与所述转盘的旋转中心一致。
2.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于：所述转动模组受控于所述单线激光雷达的控制器实现所述转盘摆动或者圆周转动。
3.如权利要求2所述的三维扫描系统，其特征在于：所述转盘摆动的角度支持自定义设置。
4.如权利要求1～3任一项所述的三维扫描系统，其特征在于：所述转动模组包括转动变换部，所述转动变换部包括编码器、码盘和连接轴，所述码盘通过所述连接轴连接所述转盘，所述编码器通过检测所述码盘的转动确定出所述转盘的位置。
5.如权利要求4所述的三维扫描系统，其特征在于：所述编码器与所述控制器通信连接，将所述转盘的位置反馈至所述控制器，所述控制器根据位置反馈调整对所述转动模组的控制信号。
6.如权利要求1～3任一项所述的三维扫描系统，其特征在于：所述转动模组包括动力部，所述动力部受控于所述控制器驱动所述转盘转动。
7.如权利要求6所述的三维扫描系统，其特征在于：所述动力部包括电机，所述电机通过联轴器连接所述转动模组。
8.如权利要求1所述的三维扫描系统，其特征在于：所述单线激光雷达的内部设有光学器件和驱动部件，所述驱动部件受控于所述控制器驱动所述光学器件转动，单束光经过所述光学器件反射形成二维激光扫描面。
9.如权利要求8所述的三维扫描系统，其特征在于：所述驱动部件将光学器件转动的角度反馈至所述控制器，所述控制器根据角度反馈调整对所述驱动部件的控制信号。
10.如权利要求8所述的三维扫描系统，其特征在于：所述驱动部件包括电机。
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