CN113359105A - 一种基于二维激光雷达生成三维点云数据的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业测量技术领域，为一种基于二维激光雷达生成三维点云数据的方法及系统，包括以下步骤：旋转平台带动激光雷达旋转以对目标对象的表面进行旋转扫描；实时获取激光雷达扫描的数据以及对应时刻的旋转平台当前的角度值，并将每一帧数据与对应当前的角度值进行融合；将融合的数据进行坐标变换计算后得到扫描区域内的三维空间数据。该方案可以快速扫描场景内物体轮廓，重构三维点云，结合三维点云处理软件实现对物体的三维轮廓测量、特定目标的自动识别以及计算出相关目标的几何尺寸信息。利用二维激光雷达构成的三维点云数据生成系统不仅性价比高于三维扫描仪，同时在工业测量应用中，相同测量环境下，测量精度也高于三维扫描仪。

Description

一种基于二维激光雷达生成三维点云数据的方法及系统

技术领域

本发明涉及工业测量技术领域，具体涉及一种基于二维激光雷达生成三维点云数据的方法及系统。

背景技术

工业现场的环境一般都比较恶劣，导致传统的测量方法(如经纬仪、测距仪、水准仪、全站仪等)在工业检测领域应用的局限性。三维激光扫描技术的出现有效的弥补了传统测量手段在工业检测领域的应用局限，能够快速获取反映目标物体实时、动态变化和真实形态特性的信息。一般的三维激光扫描仪都是针对测绘领域或者自动驾驶领域的需求设计的，远距离测量效果好，近距离的测量精度差、噪声大，同时价格昂贵，不适合在工业测量领域应用。因此，业内亟待开发一种适用于工业测量领域的三维激光雷达扫描装置。

发明内容

本发明提供了一种基于二维激光雷达生成三维点云数据的方法及系统，解决了以上所述的三维激光扫描仪近距离的测量精度差、噪声大、同时价格昂贵的技术问题。

本发明为解决上述技术问题提供了一种基于二维激光雷达生成三维点云数据的方法，包括以下步骤：

S1，旋转平台带动激光雷达旋转以对目标对象的表面进行旋转扫描；

S2，实时获取激光雷达扫描的数据以及对应时刻的旋转平台当前的角度值，并将每一帧数据与对应当前的角度值进行融合；

S3，将融合的数据进行坐标变换计算后得到扫描区域内的三维空间数据。

优选地，其特征在于，所述S2具体包括：基于中断方式检测获取激光雷达数据的同步脉冲信号，以配准当前时刻的旋转平台的角度值，同时获取当前时刻的用于修正配准精度的修正参数，所述修正参数包括当前时刻的激光雷达的扫描频率、角分辨率及扫描角度。

优选地，其特征在于，所述S2具体包括：

S21，记录激光雷达开始做旋转扫描时对应的旋转平台的旋转角度值为A1，所述A1即为激光雷达第一个扫描测距点对应的旋转角度值；

S22，定义激光雷达的扫描频率为f，角分辨率为β，起始扫描角为a1，终止扫描角为a2，扫描平台的转速为ω；

S23，在激光雷达的角分辨率期间，旋转平台转动的角度值为βωf/360；

S24，第n个扫描测距点对应的角度值为(n-1)βωf/360；

S25，在一帧数据里每一个扫描测距点上都匹配上对应角度值得到如下序列[A1，βωf/360+A1，……，(n-1)βωf/360+A1，……，(a2-a1)ωf/360+A1]。

优选地，其特征在于，在步骤S1之前还包括采用自标定方法获取激光雷达与旋转平台之间的安装偏移值，具体包括：

第一步，构造一个标准的垂直墙面，采用激光扫描测距仪测量出扫描平台的旋转轴到垂直墙面的距离D₀；

第二步，启动设备扫描，实时获取激光雷达的扫描测距值并处理，得到激光雷达的出光点到垂直墙面的垂直距离D₁＝min(d₀,d₁,d₂,……d_n)，其中d_n为激光雷达的扫描测距值；

第三步，根据D₀和D₁计算得到激光雷达的安装偏移值D_p＝D₀-D₁；

第四步，根据安装偏移值D_p来修正激光雷达因安装位置的偏差造成的测量误差。

优选地，其特征在于，所述S3具体包括：通过坐标转换，得到三维立体数据，变换方法如下：x＝D*sin(a1+(n-1)β)*cosθ，y＝D*cos(a1+(n-1)β)*cosθ，z＝D*sinθ；

其中D为激光雷达的扫描测距值，a1为激光雷达的起始扫描角，β为激光雷达的角分辨率，θ为旋转平台的角度值。

本发明还提供了一种基于二维激光雷达生成三维点云数据的系统，包括激光雷达、旋转机构、数据匹配对齐单元及数据处理模块；

所述旋转平台用于带动激光雷达旋转以对目标对象的表面进行旋转扫描；

所述数据匹配对齐单元用于实时获取激光雷达扫描的数据以及对应时刻的旋转平台当前的角度值，并将每一帧数据与对应当前的角度值进行融合；

所述数据处理模块用于将融合的数据进行坐标变换计算后得到扫描区域内的三维空间数据。

优选地，所述旋转平台包括设备外壳支架、激光雷达安装板、闭环驱动电机、驱动器、嵌入式采集控制板以及旋转轴；

所述旋转轴穿过所述设备外壳支架形成铰接，激光雷达安装板与旋转轴的一端固定连接，闭环驱动电机的输出轴与旋转轴的另一端固定连接，嵌入式采集控制板实时获取激光雷达的旋转角度，并控制驱动器驱动闭环电机带动激光雷达安装板转动。

有益效果：本发明提供了一种基于二维激光雷达生成三维点云数据的方法及系统，包括以下步骤：S1，旋转平台带动激光雷达旋转以对目标对象的表面进行旋转扫描；S2，实时获取激光雷达扫描的数据以及对应时刻的旋转平台当前的角度值，并将每一帧数据与对应当前的角度值进行融合；S3，将融合的数据进行坐标变换计算后得到扫描区域内的三维空间数据。该方案可以快速扫描场景内物体轮廓，重构三维点云，结合三维点云处理软件实现对物体的三维轮廓测量、特定目标的自动识别以及计算出相关目标的几何尺寸信息。广泛应用于特定特征的识别与定位、料堆体积测量、工程车土石方体积测量以及钢卷自动识别定位和轮廓定位等复杂轮廓测量场合。利用二维激光雷达构成的三维点云数据生成系统不仅性价比高于三维扫描仪，同时在工业测量应用中，相同测量环境下，测量精度也高于三维扫描仪。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明基于二维激光雷达生成三维点云数据的方法的流程示意图；

图2为本发明基于二维激光雷达生成三维点云数据的系统的功能原理图；

图3为本发明基于二维激光雷达生成三维点云数据的系统的实物结构图；

图4为本发明基于二维激光雷达生成三维点云数据的方法的坐标变换原理图；

图5为本发明基于二维激光雷达生成三维点云数据的方法的数据对齐时序图。

附图标记说明：二维激光雷达1，设备外壳支架2，激光雷达安装板3，闭环驱动电机4，驱动器5，嵌入式采集控制板6，电源模块7，旋转轴8。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图5所示，本发明提供了一种基于二维激光雷达生成三维点云数据的方法，包括以下步骤：

S1，旋转平台带动激光雷达旋转以对目标对象的表面进行旋转扫描；激光雷达以下统称二维激光雷达1，可适配不同厂家的二维激光雷达1，不限于一款二维激光雷达1。通过旋转平台的转动来带动二维激光雷达1的转动，二维激光雷达1与旋转平台之间相对不动。还可以旋转待扫描件也是同样的工作原理。

S2，实时获取激光雷达扫描的数据以及对应时刻的旋转平台当前的角度值，并将每一帧数据与对应当前的角度值进行融合；二维激光雷达1没扫描以下，同时也要记录当前的旋转平台的角度值，二者相对应。

S3，将融合的数据进行坐标变换计算后得到扫描区域内的三维空间数据。

可以快速扫描场景内物体轮廓，重构三维点云，结合三维点云处理软件实现对物体的三维轮廓测量、特定目标的自动识别以及计算出相关目标的几何尺寸信息。广泛应用于特定特征的识别与定位、料堆体积测量、工程车土石方体积测量以及钢卷自动识别定位和轮廓定位等复杂轮廓测量场合。

具体工作原理过程如下：

基于中断方式实时检测激光雷达数据的同步脉冲信号，检测到同步脉冲信号时，记录旋转平台点的当前的角度值；将角度数据即角度值与对应数据帧进行融合，即通过同步脉冲信号配准对应时刻的旋转平台的角度值；然后根据激光雷达的修正参数，包括扫描频率、角分辨率、扫描角度以及旋转平台的转速，在每一个测距点上配准角度值，即通过修正参数对配准的精度进行进一步修正；根据协议格式，完成对融合后激光雷达数据的解析；最后根据激光雷达的角分辨率、测距值以及旋转平台的角度值，通过坐标变换，构建出三维点云数据。其中，激光雷达的扫描频率、角分辨率及扫描角度是用于修正数据匹配精度。而与激光雷达在生产数据的时候产生同步信号为TTL电平信号，即同步信号与激光雷达数据在时间有对应同步的关系。

在一个具体的实施场景中，选用一款二维激光雷达1为三维点云数据生成系统的测量单元；二维激光雷达1固定在激光雷达安装板3上，通过精密旋转平台带动二维激光雷达1进行扫描，采用高主频嵌入式处理器实时采集激光雷达的输出数据包含同步脉冲信号，采用高分辨率编码器实时检测扫描装置的旋转角度，嵌入式处理器在每一帧激光雷达数据上融合当前的旋转角度信息即旋转平台的角度值，实现旋转角度与激光雷达数据帧的匹配对齐。结合激光雷达的工作频率、扫描角度以及旋转平台的转速，设计一套激光雷达数据点匹配方法，将旋转的角度信息匹配到每一个激光数据点上。数据处理模块对采集的数据进行解算、处理，通过坐标系变换，获得扫描区域内的三维空间数据。

优选的方案，根据激光雷达的扫描频率、扫描角度以及扫描平台的转速，在每一帧数据的扫描测距点上都插值上对应的扫描角度值，具体方法如下：

步骤1：激光雷达数据生成时对应的转台角度值为A1，即激光雷达第一个扫描测距点对应的旋转角度值为A1

步骤2：激光雷达的扫描频率为f，角分辨率为β，起始扫描角为a1，终止扫描角为a2；扫描平台的转速为ω；

步骤3：在激光雷达的角分辨率期间，转台转动的角度值为βωf/360；

步骤4：第n个扫描测距点对应的角度值为(n-1)βωf/360；

步骤5：在一帧数据每一个扫描测距点上都匹配上对应角度值得到如下序列[A1，βωf/360+A1，……，(n-1)βωf/360+A1，……，(a2-a1)ωf/360+A1]。

优选的方案，旋转平台的旋转轴8不需要过激光雷达的中心，采用自标定方法获取激光雷达的安装偏移值，降低对激光雷达的安装要求。激光雷达安装的自标定方法如下：

第一步：构造一个标准的垂直墙面，采用激光扫描测距仪测量出扫描平台的旋转轴8到垂直墙面的距离D₀；

第二步：低速启动设备扫描，实时获取二维激光雷达1的扫描测距值并处理，得到激光雷达的出光点到垂直墙面的垂直距离D₁＝min(d₀,d₁,d₂,……d_n)，其中d_n表示二维激光雷达1的扫描测距值；

第三步：根据D₀和D₁计算得到激光雷达安装偏移值D_p＝D₀-D₁；

第四步，根据安装偏移值D_p来修正激光雷达因安装位置的偏差造成的测量误差。

优选的方案，采用旋转平台带动二维激光雷达1旋转，通过坐标转换，得到三维立体数据，变换方法如下：x＝D*sin(a1+(n-1)β)*cosθ，y＝D*cos(a1+(n-1)β)*cosθ,z＝D*sinθ。其中D为激光雷达扫描测距值，a1为激光雷达起始角度，β为激光雷达角分辨率，θ为云台转动角度。

优选的方案，旋转平台设计有防坠落装置，保证设备在工作中突然断电，不会快速坠落而损害设备。

优选的方案，将集稳压电源、驱动器5、控制器、同步器和传动机构于一体，控制器和同步器均采用32位微处理器。

优选的方案，整个技术方案还具有智能自诊断功能，错误状态实时反馈。采用精密减速机构，空回间隙小，回转精度高，可任意切换正向或反向扫描。

本发明还提供了一种基于二维激光雷达1生成三维点云数据的系统，包括激光雷达、旋转机构、数据匹配对齐单元及数据处理模块；

所述旋转平台用于带动激光雷达旋转以对目标对象的表面进行旋转扫描；

所述数据匹配对齐单元用于实时获取激光雷达扫描的数据以及对应时刻的旋转平台当前的角度值，并将每一帧数据与对应当前的角度值进行融合；

所述数据处理模块用于将融合的数据进行坐标变换计算后得到扫描区域内的三维空间数据。

该系统由二维激光雷达1、设备外壳支架2、激光雷达安装板3、闭环驱动电机4、驱动器5、嵌入式采集控制板6、电源模块7以及旋转轴8组成。设备外壳支架2和激光雷达安装板3通过转动轴8连接，旋转轴8固定在设备外壳支架2的内侧，闭环驱动电机5的旋转轴通过精密设计的轴承套与旋转轴8连接，驱动旋转轴8转动。设备外壳支架2内部集成有闭环驱动电机4、驱动器5、嵌入式采集控制板6和电源模块7。嵌入式采集控制板6控制驱动器5驱动闭环电机4带动激光雷达安装板3转动，即带动二维激光雷达1作旋转运动。嵌入式采集控制板6实时获取激光雷达1的旋转角度，采用硬件对齐方式将激光雷达1的数据与旋转角度对齐，数据对齐时序如图5所示。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于二维激光雷达生成三维点云数据的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，旋转平台带动激光雷达旋转以对目标对象的表面进行旋转扫描；

S2，实时获取激光雷达扫描的数据以及对应时刻的旋转平台当前的角度值，并将每一帧数据与对应当前的角度值进行融合；

S3，将融合的数据进行坐标变换计算后得到扫描区域内的三维空间数据。

2.根据权利要求1所述的基于二维激光雷达生成三维点云数据的方法，其特征在于，所述S2具体包括：基于中断方式检测获取激光雷达数据的同步脉冲信号，以配准当前时刻的旋转平台的角度值，同时获取当前时刻的用于修正配准精度的修正参数，所述修正参数包括当前时刻的激光雷达的扫描频率、角分辨率及扫描角度。

3.根据权利要求1所述的基于二维激光雷达生成三维点云数据的方法，其特征在于，所述S2具体包括：

S21，记录激光雷达开始做旋转扫描时对应的旋转平台的旋转角度值为A1，所述A1即为激光雷达第一个扫描测距点对应的旋转角度值；

S22，定义激光雷达的扫描频率为f，角分辨率为β，起始扫描角为a1，终止扫描角为a2，扫描平台的转速为ω；

S23，在激光雷达的角分辨率期间，旋转平台转动的角度值为βωf/360；

S24，第n个扫描测距点对应的角度值为(n-1)βωf/360；

S25，在一帧数据里每一个扫描测距点上都匹配上对应角度值得到如下序列[A1，βωf/360+A1，……，(n-1)βωf/360+A1，……，(a2-a1)ωf/360+A1]。

4.根据权利要求3所述的基于二维激光雷达生成三维点云数据的方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括采用自标定方法获取激光雷达与旋转平台之间的安装偏移值，具体包括：

第一步，构造一个标准的垂直墙面，采用激光扫描测距仪测量出扫描平台的旋转轴到垂直墙面的距离D₀；

第二步，启动设备扫描，实时获取激光雷达的扫描测距值并处理，得到激光雷达的出光点到垂直墙面的垂直距离D₁＝min(d₀,d₁,d₂,……d_n)，其中d_n为激光雷达的扫描测距值；

第三步，根据D₀和D₁计算得到激光雷达的安装偏移值D_p＝D₀-D₁；

第四步，根据安装偏移值D_p来修正激光雷达因安装位置的偏差造成的测量误差。

5.根据权利要求4所述的基于二维激光雷达生成三维点云数据的方法，其特征在于，所述S3具体包括：通过坐标转换，得到三维立体数据，变换方法如下：x＝D*sin(a1+(n-1)β)*cosθ，y＝D*cos(a1+(n-1)β)*cosθ，z＝D*sinθ；

其中D为激光雷达的扫描测距值，a1为激光雷达的起始扫描角，β为激光雷达的角分辨率，θ为旋转平台的角度值。

6.一种基于二维激光雷达生成三维点云数据的系统，其特征在于：包括激光雷达、旋转机构、数据匹配对齐单元及数据处理模块；

所述旋转平台用于带动激光雷达旋转以对目标对象的表面进行旋转扫描；

所述数据匹配对齐单元用于实时获取激光雷达扫描的数据以及对应时刻的旋转平台当前的角度值，并将每一帧数据与对应当前的角度值进行融合；

所述数据处理模块用于将融合的数据进行坐标变换计算后得到扫描区域内的三维空间数据。

7.根据权利要求6所述的基于二维激光雷达生成三维点云数据的系统，其特征在于，所述旋转平台包括设备外壳支架、激光雷达安装板、闭环驱动电机、驱动器、嵌入式采集控制板以及旋转轴；

所述旋转轴穿过所述设备外壳支架形成铰接，激光雷达安装板与旋转轴的一端固定连接，闭环驱动电机的输出轴与旋转轴的另一端固定连接，嵌入式采集控制板实时获取激光雷达的旋转角度，并控制驱动器驱动闭环电机带动激光雷达安装板转动。

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