CN112268524B - 一种激光三维测量仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光三维测量仪，包括激光器、采集器、处理器、旋转器和双旋转关节，双旋转关节包括沿Z轴方向旋转的第一旋转关节和沿Y轴方向旋转的第二旋转关节，激光器和旋转器固设在第二旋转关节上，采集器固设在旋转器上；激光器向待测点发射激光，旋转器带动采集器旋转，使待测点位于采集范围内，待测点、旋转器中心点以及测距起点组成直角三角形，测量仪测得的待测点距离为H。测量仪可以不动，将双旋转关节进行旋转调节时，带动激光器一同旋转，从而实现任意角度范围内的测量，即实现三维测量。采集器通过旋转器旋转，在激光的发射路径上会有更大的采集范围，扩大了测距范围，随双旋转关节调整方位，从而实现空间三维坐标测量。

Description

一种激光三维测量仪及测量方法

技术领域

本发明属于激光三维测量技术领域，更具体地，涉及一种激光三维测量仪及测量方法。

背景技术

激光三维测量技术具有测量速度快、非接触测量、抗电磁等优点，可以应用在三维形貌测量、高精度尺寸测量、大范围距离测量和激光雷达中，获得大尺度、高精度、海量数据的应用效果，从而成为三维反求、工业测量、环境探测、无人驾驶汽车等各行各业的首选方案。

现有技术中，采用三角测距原理的激光测距装置包括激光器、采集器和处理器三部分，三者固定在一个载体上，形成整个测距装置，能完成一定距离范围内的单一的测距功能，然而，由于激光器的发射路径很远，采集器视野有限，当整个测距装置被安装固定后，如遇到待测点不在采集器的视野范围内，则超出测量范围而无法测量，更无法满足对待测物体的三维坐标测量的应用场景需求，从而降低了激光测距仪的应用范围。

发明内容

针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了一种激光三维测量仪及测量方法，其目的在于解决现有激光三角法测距仪测量功能单一，测距范围有限，无法多角度、大范围进行三维测量的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种激光三维测量仪，包括激光器、采集器、处理器以及旋转器，还包括双旋转关节，所述双旋转关节包括第一旋转关节和与所述第一旋转关节连接的第二旋转关节，所述第一旋转关节沿Z轴方向旋转，所述第二旋转关节沿Y轴方向旋转，所述激光器和所述旋转器均固设在所述第二旋转关节上，所述采集器固设在所述旋转器上；

所述激光器向待测点发射激光，所述旋转器中心点在激光发射路径上的垂直投影点为测距起点，所述旋转器带动所述采集器旋转，以使待测点位于所述采集器的拍摄范围内，所述待测点、所述旋转器中心点以及所述测距起点之间组成直角三角形，所述测量仪测得所述待测点与所述测距起点之间的距离为H。

通过上述技术方案，测距起点、旋转器中心点以及待测点之间形成一个直角三角形，用于实现三角测距功能；而激光器和旋转器固设在双旋转关节上，整个测量仪可以放置不动，而将双旋转关节分别进行两个方向的旋转时，带动激光器和旋转器进行一同旋转，从而实现任意角度范围内的距离测量。并且，本测量仪的采集器通过旋转器带动旋转，使激光的发射路径可以在三维空间任意调整方位，从而提高了本测量仪的测距范围，从而可以更好地应用在动态物跟随测量、多位置连续测量以及三维测量等场景中，应用更加灵活。

本发明的另一个方面，提供了一种激光三维测量仪的测量方法，采用上述的激光三维测量仪，包括以下步骤：

S1，调节第一旋转关节旋转θc，使待测点在激光器的激光发射路径与第二旋转关节旋转轴线组成的平面内的投影点位于所述激光器的激光发射路径上；

S2，调节第二旋转关节旋转θa，使所述激光器的激光发射路径对准所述待测点；

S3，激光器发射激光至待测点；

S4，将旋转器进行旋转，使采集器从测距起点旋转至朝向待测点，处理器根据旋转器旋转角度得到采集器中心点与所述测距起点之间相对于所述旋转器中心点的夹角为θ1；

S5，采集器对待测点方向进行拍摄，处理器根据采集器上拍摄的待测点位置计算出待测点与采集器中心点之间相对于旋转器中心点的夹角θ2；

S6，采集器计算待测点与测距起点之间相对于旋转器中心点的夹角θ＝θ1±θ2；所述旋转器与所述测距起点之间的距离为L，所述测量仪测得的所述待测点与所述测距起点之间的距离H＝L*tanθ；

S7，以所述S1步骤开始之前，所述激光器的初始激光发射路径作为坐标系的X轴，此时双旋转关节旋转角度为0，以所述第一旋转关节的旋转轴线作为坐标系的Z轴，所述待测点的三维坐标为(H*cosθa*cosθc，H*cosθa*sinθc，H*sinθa)。

通过本测量方法，双旋转关节的调节可以带动激光器、旋转器和处理器一同调节，从而使得激光器的发射端能朝向不同的位置，满足对三维空间各方位目标的测量需求。而激光器的发射端调节完毕后，再通过旋转器旋转，使采集器朝向待测点，可以实现激光发射路径上不同位置、更大范围点的测量，并且，通过三角测距原理，旋转器的旋转角度可直接获得，从而可以进一步获得直角三角形中的夹角θ，方便快捷。

附图说明

图1是一种激光三维测量仪的整体结构示意图；

图2是一种激光三维测量仪对待测点的三维坐标计算示意图；

图3是一种激光三维测量仪对待测点距离的测量原理示意图一；

图4是一种激光三维测量仪对待测点距离的测量原理示意图二。

图中，1、激光器；2、采集器；3、旋转器；4、处理器；5、第一旋转关节；6、第二旋转关节。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提出一种激光三维测量仪，包括激光器1、采集器2、处理器4以及旋转器3，还包括双旋转关节，双旋转关节包括第一旋转关节5和与第一旋转关节5连接的第二旋转关节6，其中，第一旋转关节5饶Z轴也就是竖直方向旋转，而第二旋转关节6则饶Y轴也就是水平方向旋转。激光器1和旋转器3均固设在双旋转关节上，采集器2则固设在旋转器3上。

具体地，激光器1和旋转器3可以固设在第二旋转关节6上，整个双旋转关节可以实现在两个平面内的360°旋转，从而可以带动激光器1和旋转器3一同旋转，使得激光器1的发射端可以朝向各个方向，无需整体挪动测量仪，同时也方便一场景多位置下的连续测量。整个双旋转关节可以和处理器4相连，通过处理器4来控制旋转的进行。并且，将双旋转关节与其他位置跟踪技术等结合使用，可以实现动态物的跟随测量。本测量仪由于可测量的视角范围更大，在许多领域中应用会更加灵活、方便。

激光器1向待测点发射一束激光，旋转器3中心点在激光发射路径上的垂直投影点为测距起点，旋转器3可带动采集器2从朝向测距起点的方向旋转至朝向待测点的方向，以使待测点位于所述采集器2的拍摄范围内，待测点、旋转器3中心点以及测距起点之间组成直角三角形，测量仪测得待测点与测距起点之间的距离为H。

进一步地，如图2所示，在设置双旋转关节和激光器1的位置时，需使第一旋转关节5和第二旋转关节6的旋转轴线的交点位于激光器1的激光发射路径所在的直线上，以及使激光器1的激光发射路径垂直于YZ平面，并且，还可以直接使待测起点与Y轴和Z轴的交点重合，从而可以在调节双旋转关节前，将激光器1的激光发射路径作为坐标系的X轴，并且，可以根据待测起点与待测点之间的距离H计算待测点的三维坐标。

具体地，由于测量时，激光器1在双旋转关节的旋转带动下会朝向待测点发射激光，使待测点位于激光发射路径上，此时，第一旋转关节5的旋转角度为θc，第二旋转关节6旋转的角度为θa，从而可以根据距离测量的结果对待测点进行三维坐标计算，待测点的三维坐标为(H*cosθa*cosθc，H*cosθa*sinθc，H*sinθa)。通过在调节前各零部件的状态下建立坐标系，然后再依据调节过程可直接获取第一旋转关节5与第二旋转关节6的旋转角度读数，当测量仪测得待测点的距离H后，可以更加方便的获得待测点的三维坐标。

旋转器3为步进电机或伺服电机等等。

激光器1为点激光器1，可以为固体激光器1、气体激光器1或光纤激光器1等等。

采集器2为面阵CCD或线阵CCD等等。参照图3，采集器2拍摄范围内的所有光线均聚焦在旋转器3的中心点。采集器2采集到的光线范围有限，由于采集器2旋转至朝向待测点后，在激光的发射路径上，采集器2两边缘点可采集到的范围对应为点H1、点H2，因此，采集器2此位置的采集范围为H1～H2，更具体地，旋转器3中心点为O，点H1、采集器2对应的边缘点A、旋转器3中心点O位于同一直线上，点H2、采集器2对应的另一边缘点B、旋转器3中心点O也位于同一直线上。如待测点Hx不在H1～H2范围内，则继续旋转，直到待测点Hx位于采集器2的采集范围Hm～Hn范围内为止。采集器2旋转的位置不同，在激光发射路径上可以采集到的范围就会不同，并且，随着采集器2旋转的角度越来越大，可采集到的范围就越来越大，与现有技术中静止的采集器2相比，本测量仪大幅提升了激光路径上的测距范围。

由于激光照射到待测点的物体上会发生反射，而反射后的激光被采集器2采集后，成像在采集器2对应的位置处。处理器4根据采集器2的拍摄获取到直角三角形中待测点和测距起点之间相对于旋转器3中心点的夹角θ，而直角三角形中旋转器3中心点与测距起点形成的直角边长为L。具体地，待测点为Hx，测距起点为H0，旋转器3带动采集器2旋转一定角度后，此时，采集器2在激光的发射路径上的采集范围为H1～H2，待测点Hx位于H1～H2范围内，则可以进行拍摄测量，此时，待测点Hx和旋转器3中心点O之间的连线与测距起点H0和旋转器3中心点O之间的连线夹角即为θ，因此，待测点Hx与测距起点H0之间的距离H＝L*tanθ。

测距起点Hx则通过激光器1与旋转器3之间的相对安装位置，激光器1的大小、旋转器3的大小决定，也就是说与旋转器3的中心点O紧密相关，并且，采集器2上拍摄范围内的所有光线的均聚焦在旋转器3的中心点，所以待测点Hx、测距起点H0、旋转器3中心点O之间可以组成直角三角形，其中，测距起点的位置通过激光器1和旋转器3的设置成为已知位置点，例如可以将激光器1的发射点与旋转器3中心点设置在垂直于激光发射路径的垂线上，此时测距起点就为激光器1的发射点；又例如可以将激光器1的中心点与旋转器3中心点设置在垂直于激光发射路径的垂线上，此时测距起点就为激光器1的中心点，那么在算出待测点与测距起点之间的距离后再通过与激光器1的长度进行运算，就可得出待测点到激光器1任意位置之间的距离，因此，当测距起点H0不与坐标系的原点重合时，也能结合激光器1的安装位置来算出待测点Hx与坐标原点之间的距离，从而可以进行待测点的三维坐标计算。并且采集器2在旋转器3上安装位置精细设计和调节，来实现采集器2上各位置采集的所有光聚焦在旋转器3的中心点。

关于θ的获取，参照图4，在一些实施例中，采集器2中心点C和旋转器3中心点O之间的连线与测距起点H0和旋转器3中心点O之间的连线夹角为θ1。具体地，当旋转器3在初始状态时，采集器2的中心点C位于旋转器3中心点O与测距起点H0的连线上，也即是θ1＝0，当旋转器3带动采集器2旋转后，可以进行拍摄时，θ1≠0，且θ1就是旋转器3的旋转角度，可直接获取，无需计算。

在此基础上，再获取待测点Hx和旋转器3中心点O之间的连线与采集器2中心点C和旋转器3中心点O之间的连线夹角θ2，即可计算出θ。当待测点Hx位于采集器2边缘点A与中心点C之间时，θ＝θ1-θ2，当待测点Hx位于采集器2边缘点B与中心点C之间时，θ＝θ1+θ2。

θ2的计算为：待测点Hx反射的激光成像在采集器2上的X位置处，处理器4根据采集器2上成像的具体位置点与采集器2上的中心点C之间的关系来计算。更具体地，点X、点C与点O之间组成一个直角三角形，其中，边XC的长度可以根据拍摄到的图案获得，边OC的长度与旋转器3和采集器2的大小有关，也可获得，然后通过勾股定理、正弦定理以及余弦定理等数学公式即可算出此三角形中其他未知参数，包括算出θ2。

当然，θ也可以通过一些其他与CCD位置计算有关的算法或软件直接或间接计算获得，但不管通过何种方式获得θ的数值，在本申请中，都是基于测距起点、待测点和旋转器3的中心点(也就是CCD的旋转中心点)组成的直角三角形、在这个直角三角形中，通过两个已知的角和一个已知的边，就能算出另两条未知边的数学原理，因此，本申请通过旋转器3和采集器2的相关参数信息获取θ，也就获得两个已知的角，再通过控制旋转器3中心点与激光器1之间的距离，也就获得一个已知的边，从而实现待测点的距离测量。本申请的装置通过组成一个直角三角形，仅获取一个角度θ和一条边，即可测算出待测点的距离，且将采集器2设置为可旋转的，只需采集器2旋转至朝向待测点就能实现Hm～Hn范围之间的测量，相较于现有技术中采集器2静止并通过透镜汇聚，可测量的范围更大，因此，适用领域会更广。

本发明还提出一种激光三维测量仪的测量方法，采用上述的激光三维测量仪进行，包括以下步骤：

S1，调节第一旋转关节5旋转θc，使待测点在激光器1的激光发射路径与第二旋转关节6旋转轴线组成的平面内的投影点位于所述激光器1的激光发射路径上；

S2，调节第二旋转关节6旋转θa，使所述激光器1的激光发射路径对准所述待测点；

S3，激光器1发射激光至待测点；

S4，将旋转器3进行旋转，使采集器2从测距起点旋转至朝向待测点，处理器4根据旋转器3旋转角度得到采集器2中心点与所述测距起点之间相对于所述旋转器3中心点的夹角为θ1；

S5，采集器2对待测点方向进行拍摄，处理器4根据采集器2上拍摄的待测点位置计算出待测点与采集器2中心点之间相对于旋转器3中心点的夹角θ2；

S6，采集器2计算待测点与测距起点之间相对于旋转器3中心点的夹角θ＝θ1±θ2；所述旋转器3与所述测距起点之间的距离为L，所述测量仪测得的所述待测点与所述测距起点之间的距离H＝L*tanθ；

S7，以所述S1步骤开始之前，所述激光器1的初始激光发射路径作为坐标系的X轴，此时双旋转关节旋转角度为0，以所述第一旋转关节5的旋转轴线作为坐标系的Z轴，所述待测点的三维坐标为(H*cosθa*cosθc，H*cosθa*sinθc，H*sinθa)。

在S1和S2中，调节双旋转关节即调节第一旋转关节5和第二旋转关节6时，可以先通过肉眼进行粗调，使激光器1的发射端大致朝向S1与S2中的目标区域，然后搭配光学监控器和指示激光进行一边观察一边精调，从而确保第一旋转关节5旋转后，待测点在激光器1的激光发射路径与第二旋转关节6旋转轴线组成的平面内的投影点位于激光器1的激光发射路径上，并确保第二旋转关节6旋转后，激光器1的激光发射路径对准待测点，再进行S3的操作。

当采集器2在激光器1的发射路径上可以采集到的两边缘点分别为H1、H2时，待测点需位于点H1、H2之间，其反射的激光才能被采集器2采集到。因此，根据待测点位置的不同，旋转器3的旋转角度也不同，从而可以实现量程可调节的测距。在S5中，如采集器2未能采集到的待测点反射的激光，则再次将旋转器3进行旋转、使采集器2拍摄，直到采集器2能采集到待测点反射的激光为止。

可以采用从小角度向大角度对旋转器3进行旋转，直到拍摄采集到的激光亮点出现在采集器2的中心附近，可以由操作人员手动设定，也可以通过自动搜索模式来进行，使得旋转器3能较准地带动采集器2朝向待测点，从而减少将旋转器3进行多次旋转调试的步骤。

在激光发射路径上位于点H1～点H2范围内的所有点反射的激光经过采集器2的采集后会聚焦在旋转器3的中心点，因此，在激光路径上可测距的范围更大，为了使采集器2可以采集的所有位置的光聚焦点与旋转器3的中心点重合，需要对采集器2、旋转器3的配合进行限定和调试，具体为：通过采集器2中心点采集待测点计算出来测距值与实际距离值进行对比，根据对比值调整采集器2安装位置，使得测距结果准确。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光三维测量仪，其特征在于，包括激光器、采集器、处理器以及旋转器，还包括双旋转关节,所述双旋转关节包括第一旋转关节和与所述第一旋转关节连接的第二旋转关节，所述第一旋转关节沿Z轴方向旋转，所述第二旋转关节沿Y轴方向旋转，所述激光器和所述旋转器均固设在所述第二旋转关节上，所述采集器固设在所述旋转器上，所述采集器为面阵图像采集器件或线阵图像采集器件，所述采集器拍摄范围内的所有光线均聚焦在所述旋转器的中心点；

所述激光器向待测点发射激光，所述旋转器中心点在激光发射路径上的垂直投影点为测距起点，所述旋转器带动所述采集器旋转，以使待测点位于所述采集器的拍摄范围内，所述待测点、所述旋转器中心点以及所述测距起点之间组成直角三角形，所述测量仪测得所述待测点与所述测距起点之间的距离为H；

通过以下步骤进行测量:

S1，调节第一旋转关节旋转θc，使待测点在激光器的激光发射路径与第二旋转关节旋转轴线组成的平面内的投影点位于所述激光器的激光发射路径上；

S2，调节第二旋转关节旋转θa，使所述激光器的激光发射路径对准所述待测点；

S3，激光器发射激光至待测点；

S4，将旋转器进行旋转，使采集器从测距起点旋转至朝向待测点，处理器根据旋转器旋转角度得到采集器中心点与所述测距起点之间相对于所述旋转器中心点的夹角为θ1；

S5，采集器对待测点方向进行拍摄，处理器根据采集器上拍摄的待测点位置计算出待测点与采集器中心点之间相对于旋转器中心点的夹角θ2，如采集器未能拍摄到待测点，则再次将旋转器进行旋转、使采集器拍摄，直到待测点位于采集器的拍摄范围内为止；待测点反射的激光成像在采集器上的X位置处，X位置、旋转器中心点和采集器中心点组成一个直角三角形，基于两个直角边的长度进行求解得到θ2；

S6，采集器计算待测点与测距起点之间相对于旋转器中心点的夹角θ＝θ1±θ2；所述旋转器与所述测距起点之间的距离为L，所述测量仪测得的所述待测点与所述测距起点之间的距离H＝L*tanθ；

S7，以所述S1步骤开始之前，所述激光器的初始激光发射路径作为坐标系的X轴，此时所述双旋转关节旋转角为0，以所述第一旋转关节的旋转轴线作为坐标系的Z轴，所述待测点的三维坐标为(H*cosθa*cosθc,H*cosθa*sinθc,H*sinθa)。

2.根据权利要求1所述的激光三维测量仪，其特征在于，以所述激光器的初始激光发射路径作为坐标系的X轴，此时双旋转关节旋转角度为0，所述第一旋转关节的旋转轴线作为坐标系的Z轴，所述第一旋转关节和所述第二旋转关节带动所述激光器、采集器旋转，以使所述激光器对准待测点、所述待测点位于所述采集器拍摄范围内，所述第一旋转关节的旋转角度为θc，所述第二旋转关节旋转的角度为θa，所述待测点的三维坐标为(H*cosθa*cosθc,H*cosθa*sinθc，H*sinθa)。

3.根据权利要求2所述的激光三维测量仪，其特征在于，所述处理器根据所述采集器的拍摄获取直角三角形中所述待测点和所述测距起点之间的夹角θ，所述旋转器中心点与所述测距起点之间的距离为L,所述H＝L*tanθ。

4.根据权利要求3所述的激光三维测量仪，其特征在于，所述旋转器带动所述采集器旋转的角度为θ1，所述采集器中心点与所述测距起点之间相对于所述旋转器中心点的夹角为θ1；

所述待测点和所述采集器中心点之间相对于所述旋转器中心点的夹角为θ2，所述处理器根据所述采集器上拍摄的所述待测点的位置与所述采集器上的中心点位置计算获得所述θ2；

所述θ＝θ1±θ2。

5.根据权利要求1所述的激光三维测量仪，其特征在于，所述旋转器为步进电机或伺服电机。

6.根据权利要求1所述的激光三维测量仪,其特征在于，所述激光器为点激光器。

7.根据权利要求1所述的激光三维测量仪，其特征在于，所述测距起点通过所述激光器与所述旋转器之间的安装相对位置、所述激光器的大小、所述旋转器的大小决定。

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