CN114593691A - 一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，包括上位机系统、下位机系统和数据采集装置，指令和数据传输通过MODBUS通讯来实现。所述上位机系统包括工控机的控制界面；所述下位机系统包括PLC控制器、步进电机及驱动器等；所述数据采集装置由激光扫描仪、扫描仪安装架、转盘、底座、轴承、轴承盖和三角支撑结构等组成。本发明利用PLC控制步进电机进一步带动数据采集装置完成旋转运动，实现了二维平面扫描向三维空间扫描的转化，通过数据解析与融合及坐标变换获得目标环境的三维点云数据，再通过数据预处理和三维曲面重建获得目标区域的三维模型，为后续的行为决策、轨迹规划和运动控制提供环境信息基础。
Description
技术领域
本发明涉及无人驾驶技术领域与工程测量技术领域，具体涉及一种重构挖掘机等其他工程机械或车辆的三维环境信息的方法及装置。
背景技术
随着经济的不断发展、劳动力成本的飙升以及国内对居住地、交通和矿产资源的不断需求，高原、山地等偏远地区与极端环境作业需求正在不断增加。与此同时，作业的相对复杂性和危险性导致了驾驶员相对较长的培训周期，这也间接导致了驾驶员的稀缺和工程总成本的上升。因此，为了进一步提高工程作业的安全和效率，解决极端、危险环境下的作业和灾害救援问题，同时降低企业的运营成本，采用无人化的挖掘机是最佳选择方案之一。目前，挖掘机无人化作业正成为未来装备制造业发展的重大趋势和核心内容，也是新常态下打造新的国际竞争优势的必然选择。
作为工程机械的代表装备，基于挖掘机的无人作业系统无论是在系统的复杂度，还是作业多样性来说，都能够覆盖地面大部分地理环境和作业工况。无人挖掘机技术走向成熟后，对于无人工程机械的推广与普及具有直接影响。针对无人化作业，最关键的一步是要获取施工环境的三维地图模型，以此为基础实现进一步的行为决策和路径规划。
目前，基于激光雷达的三维场景重建技术应用甚广，但直接获取三维点云数据的多线激光雷达大都十分昂贵，严重影响了技术的推广与应用。而针对单线激光雷达的三维场景重建方法的相关研究还不多，理论分析研究还不够成熟，普适性低，获得的三维模型也不够精确，因此，研究和开发一种简单、高效、低成本的三维场景重现方法和装置具有实际意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，以解决场景重建的自动化程度低，没有针对工程机械的工作环境所设计的平台，点云数据处理集成度低等问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，包括上位机系统、下位机系统、数据采集装置。
所述上位机系统包括工控机的控制界面及数据处理系统，用于通信参数的设置、通信指令的发送、控制激光扫描仪的伺服驱动，接收激光扫描数据同时完成点云数据的处理。
所述下位机系统包括PLC控制器、步进电机及驱动器等，PLC控制器用于发送PTO脉冲控制步进电机带动激光扫描仪运动。
所述数据采集装置由单线激光扫描仪、扫描仪安装架、转盘、底座、轴承、轴承盖和三角支撑结构等组成，用于实现机构的旋转运动。
优选地，所述激光扫描仪为单线激光扫描仪，能够采集目标区域某一平面内的轮廓数据，生成目标区域的三维点云数据。
优选地，所述扫描仪安装架的作用是连接转盘和固定扫描仪支架，扫描仪安装架与扫描仪支架通过螺栓连接，镂空部分用于放置激光扫描仪的电源线和电缆线，扫描仪安装架与转盘通过螺栓连接，其底部还设计了圆形凸台，用于与转盘的凹槽相匹配，解决了二者在安装时可能存在的难以对准的问题。同时，考虑到接近开关的使用，还设计了长方形的感应块，用于定位起始原点位置。
优选地，所述转盘用于连接扫描仪安装架以及联轴器的末端，转盘顶部凹槽与扫描仪安装架底部凸台相匹配，末端与联轴器相连。考虑到旋转运动的平稳性，在转盘底部设计了安装轴承的轴端。
优选地，所述底座用以安装轴承盖、电机支架以及三脚支架。考虑到接近开关的使用，在底座的顶面设计了长方形的支架便于安装接近开关。
优选地，所述电机支架用以安装步进电机和减速器。其侧板顶部4个安装孔与底座相连，底板4个装配孔与电机和减速器的组合体相连。为了提高结构稳定性，在内侧设计有三角形腹板。
优选地，所述轴承采用角接触球轴承，通过力学分析可知，运动装置轴向受到扫描仪固定装置和转盘的轴向力，另外扫描仪及其安装架的质量重心与轴线存在偏差会产生离心力，该力即为轴承的径向力。考虑到轴承既受轴向力，又受径向力，因此选用角接触球轴承，其型号为GB/T 272-7008AC用以承受系统的轴向力和径向力；所述轴承盖用以固定和保护轴承，其外围六个安装孔与底座相连。
优选地，所述三角支撑结构包括三脚支架、顶部连接件与底部连接件。三脚支架与底座通过顶部连接件相连，底部设计有调节螺钉，用以调节系统高度和帮助系统找平，通过底部连接件与支架相连。考虑到支架的刚度和稳定性，三脚支架选用角钢进行制造。
优选地，所述工控机的控制界面通过内置MATLAB GUI软件平台设计，用以实现激光扫描仪的伺服驱动控制、数据的解析与融合、点云的预处理以及三维点云模型的重构。
优选地，所述PLC控制器包括控制系统部分和电机驱动系统部分；所述控制系统部分采用MODBUS协议通过串口与上位工控机进行通讯，并采用Step7 Micro-Win软件进行编程，利用PLS指令输出PTO脉冲信号至步进电机驱动器；所述电机驱动部分为步进电机驱动系统，接收PTO脉冲信号，输出驱动步进电机带动数据采集装置完成旋转运动，实现了二维平面扫描向三维空间扫描的转化；所述PLC控制器利用软件程序控制旋转运动的实现以及旋转角度数据的传输。
优选地，所述数据处理系统通过内置MATLAB GUI软件平台设计，使用MATLAB软件编写相应算法将二维点云数据通过数据解析与融合及坐标变换转化为目标环境的三维点云数据，再通过数据预处理和三维曲面重建获得目标区域的三维模型。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明中，通过PLC控制器控制由单线激光扫描仪和步进电机等设备组成的数据采集装置执行扫描动作，完成了多组二维点云数据的采集，通过编写算法程序完成数据的截取与过滤，去除不相干数据，保留了点云数据点的时间值和距离信息，通过PLC控制器反馈的旋转角度与时间记录，在上位机中完成数据的融合，获得了目标环境的三维点云数据，通过坐标转换处理，实现了扫描仪坐标系向世界坐标系的转换，通过设计的MATLAB GUI软件平台进行数据预处理和三维曲面重建，获得目标环境的三维模型，为后续的行为决策、轨迹规划和运动控制提供环境信息。
(2)本发明中，通过MATLAB GUI模块为框架建立了数据处理平台，同时将工控机控制界面融入到平台中，提高了平台的智能化程度与集成化程度，操作和处理数据的能力也得到了有效的提升。
(3)这种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，通过MODBUS协议实现上位机系统和下位机系统之间的参数与指令的发送与接收，可靠性好、通信效率高，能实现系统功能的完整性；自动化程度高，大大节省了人力、物力，显著提高了工作效率。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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是可实现单线激光重构三维场景的方法及装置总体技术路线示意图；
图2是可实现单线激光重构三维场景装置控制系统工作流程图；
图3是扫描仪测量原理示意图；
图4是扫描仪坐标转换关系示意图；
图5是可实现单线激光扫描仪重构三维环境信息的控制系统电气原理图；
图6是数据采集装置的三维模型图；
图7是扫描仪安装架的三维模型图；
图8是转盘的三维模型图；
图9是底座的三维模型图；
图10是电机支架的三维模型图；
图11是轴承与轴承盖的三维模型图；
图12是三角支撑结构的三维模型图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：参见图1～图12，一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，包括上位机系统、下位机系统以及数据采集装置，指令和数据传输通过串口采用MODBUS协议通讯来实现。
所述上位机系统包括PC电脑的控制界面，控制界面采用MATLAB GUI设计，其中的控制指令通过串口以MODBUS协议发送给下位机PLC用来控制激光扫描仪的伺服驱动，同时接收下位机以及激光扫描仪传回的数据。
所述下位机系统包括PLC控制器、步进电机及其驱动器设备组成，由PLC控制器按照上位机传来的指令通过驱动器控制步进电机带动激光扫描仪运动。
所述激光扫描仪为单线激光扫描仪，能够采集目标区域某一平面内的轮廓数据，生成目标区域的二维点云数据。二维点云数据传输回上位机中设计的MATLAB GUI系统中进行数据处理，图2所示。
所述数据采集装置由单线激光扫描仪、步进电机、减速器、接近开关、扫描仪安装架、转盘、底座、联轴器、电机支架、轴承、轴承盖、三脚支架、顶部连接件、底部连接件和调节螺钉，其三维模型图如图6所示。
所述扫描仪安装架的作用是连接转盘和固定扫描仪支架，其三维模型图如图7所示，扫描仪安装架与扫描仪支架通过螺栓连接，镂空部分用于放置激光扫描仪的电源线和电缆线，扫描仪安装架与转盘通过螺栓连接，其底部还设计了圆形凸台，用于与转盘的凹槽相匹配，解决了二者在安装时可能存在的难以对准的问题。同时，考虑到接近开关的使用，还设计了长方形的感应块，用于确定原点位置。
所述转盘用于连接扫描仪安装架以及联轴器的末端，其三维模型图如图8所示，转盘顶部凹槽与扫描仪安装架底部凸台相匹配，末端与联轴器相连。考虑到旋转运动的平稳性，在转盘底部设计了安装轴承的轴端。
所述底座用以安装轴承盖、电机支架以及三脚支架，其三维模型图如图9所示。考虑到接近开关的使用，在底座的顶面设计了长方形的支架便于安装接近开关。
所述电机支架用以安装步进电机和减速器，其三维模型图如图10所示。其侧板顶部4个安装孔与底座相连，底板4个装配孔与电机和减速器的组合体相连。为了提高结构稳定性，在内侧设计有三角形腹板。
所述轴承采用角接触球轴承，通过力学分析可知，运动装置轴向受到扫描仪固定装置和转盘的轴向力，另外扫描仪及其安装架的质量重心与轴线存在偏差会产生离心力，该力即为轴承的径向力。考虑到轴承既受轴向力，又受径向力，因此选用角接触球轴承，其型号为GB/T 272-7008AC用以承受系统的轴向力和径向力；所述轴承盖用以固定和保护轴承，其外围六个安装孔与底座相连，其三维模型图如图11所示。
所述三脚支架用以支撑整个系统，其三维模型图如图12所示；所述顶部连接件和底部连接件分别用以连接底座和固定调节螺钉；所述调节螺钉用以调节系统高度和帮助系统找平。
系统工作的流程是上位机控制单元向激光扫描仪发送扫描指令，同时向步进电机发送工作指令，此时步进电机将驱动旋转机构带动激光扫描仪以步进方式在水平方向上进行旋转，同时，激光扫描仪对周围环境进行逐次扫描，然后将扫描数据以及旋转角度数据发送到上位机进行保存。
所述单线激光扫描仪在每一个扫描平面内的扫描角度为270°(-45°～+225°)，在一个扫描周期内，激光光束沿逆时针方向旋转，每经过0.33°完成一个数据点的采集，其0°扫描线与激光扫描仪底面平行且方向向左，如图3所示。单线激光扫描仪处于水平放置状态时，其扫描面同样处于水平方向，为了能够通过其获取三维数据信息，设计了一个旋转装置，将扫描仪侧放固定在该旋转装置上，此时其水平方向的坐标系转化为垂直方向，可以通过控制电机使其能在水平面内旋转，获得多个垂直方向数据的叠加，从而实现了对三维空间环境的扫描。
如图3所示，单线激光扫描仪获取的是环境或物体的二维极坐标，假设图中点为某一数据点，为扫描仪某次扫描过程中的第个扫描点，则该点对应的数据信息为，其中，的取值范围为，表示点到扫描仪中心点的距离，而则表示点所在的扫描线与0°扫描线之间的角度(弧度)，该角度值可以由以下公式获得：
要实现二维数据信息对三维坐标的转换，必须将极坐标数据转化为三维直角坐标数据。如图3所示，在侧放的扫描仪的扫描平面内建立直角坐标系，方向表示为0°扫描线所在的方向，方向表示扫描仪中心所在的中轴线方向，方向表示扫描平面内与0°扫描线垂直的方向，这样建立坐标系是为了更加方便地进行坐标变换。在每一个扫描平面内，每个数据点对应的值都为0。因此，我们可以通过以下公式得到数据点的直角坐标值：
如图4所示，假定扫描仪在水平面内旋转了角度，令初始扫描面为，其中为0°扫描线，旋转角后，到达所在扫描面，根据D-H表示法建立其坐标转换关系如图3所示。由图可知，为激光扫描仪扫描中心，为以扫描仪中心为原点的建立的直角坐标系，为扫描仪旋转角后以扫描仪中心为原点的直角坐标系，点与扫描仪中心同在一个水平面，其表示在该平面内以旋转轴中心为原点的坐标系，而点表示地面坐标系的原点。图中的表示扫描仪所在圆台的旋转角度；表示扫描仪处于起始位置时，与反方向的夹角；表示的距离，即扫描中心到该平面的旋转中心的距离；表示扫描仪旋转角后坐标系平移的距离，其值为；表示坐标系绕轴旋转角后，与坐标系方向重合；则表示扫描仪扫描中心所在水平面与地面之间的高度。
通过旋转单线激光扫描仪获得的数据，对其进行旋转和平移变换后，即可完成从扫描仪极坐标系对地面全局坐标系的转换，从而实现三维激光数据的采集。坐标系的转换过程如下：首先，将扫描仪当前坐标系以为中心绕轴旋转角，使得与方向平行，同时与方向也是平行的；然后沿方向平移的距离，此时，坐标系与坐标系重合；接下来坐标系沿方向平移的距离，再沿方向平移的距离，此时，点将与点重合，轴与轴重合；最后，将坐标系绕轴方向旋转角，此时，坐标系与坐标系完全重合，完成坐标系的转换。
根据以上转换过程，可以得到三维激光数据采集系统的数学模型如下：
综合上述公式计算可得：
上述公式实现了将单线激光扫描仪的二维点云数据转化成地面全局坐标系下的三维点云数据的目标。
所述工控机的控制界面通过内置MATLAB GUI软件平台设计，用以实现激光扫描仪的伺服驱动控制、数据的解析与融合、点云的预处理以及三维点云模型的重构。
所述点云的预处理包括点云滤波、点云精简和点云配准与拼接处理。所述滤波算法采用的是半径滤波法，通过设定半径阈值筛选出点云中的离群点和噪声点，保留其他有效数据点；所述精简算法采用的是基于法向量夹角的方法，求取原始数据和K阶邻域数据的单位法向量并完成两者的拼接，获得新的数据集后重新进行分类和采样，该方法的计算复杂度低，同时能很好地保留细节特征；所述配准与拼接算法采用的是迭代最近点算法即ICP算法，对不同角度扫描获得的点云数据构造旋转平移变换矩阵，将上述数据组变换到同一个坐标系下，并计算数据组之间的均方根差，迭代直到其误差满足阈值条件或迭代次数终止方可结束，该方法能将不同参考系的数据拼接到统一的参考系。
所述点云模型的重构采用的是Delaunay三角剖分算法，先建立一个大的三角形或多边形使其包含所有数据点，然后将其他的点逐个地插入三角形中形成更多的三角形，根据Delaunay三角形的特点完成三角形的剔除，实现三维点云的重建。该算法复杂性低，易实现，处理效率高。
所述PLC控制器包括控制系统部分和电控系统部分；所述控制系统部分采用MODBUS协议与工控机进行通讯；电控系统部分采用Step7Micro-Win软件进行编程，利用PLS指令输出PTO脉冲信号至步进电机驱动器，控制步进电机进一步带动数据采集装置完成旋转运动，实现了二维平面扫描向三维空间扫描的转化；所述PLC控制器用以控制旋转运动的实现以及旋转角度数据的传输。
上述一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，通过PLC控制器控制由单线激光扫描仪和步进电机等设备组成的数据采集装置执行扫描动作，完成了多组二维点云数据的采集，通过MATLAB完成数据的截取与过滤，去除不相干数据，保留了点云数据点的时间值和距离信息，通过PLC控制器反馈的旋转角度与时间记录，在MATLAB中完成数据的融合，获得了目标环境的三维点云数据，通过坐标转换处理，实现了扫描仪坐标系向世界坐标系的转换，通过设计的MATLAB GUI软件平台进行数据预处理和三维曲面重建，获得目标环境的三维模型，为后续的行为决策、轨迹规划和运动控制提供环境信息。
上述一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，通过MATLAB GUI模块建立了数据处理平台，同时将工控机控制界面融入到平台中，提高了平台的智能化程度与集成化程度，操作和处理数据的能力也得到了有效的提升。
上述一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，实现上位机控制系统和下位机控制系统之间的参数与指令的发送与接收，实现系统功能的完整性；自动化程度高，大大节省了人力、物力，显著提高了工作效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，其特征在于，包括上位机系统、下位机系统和数据采集装置，指令和数据传输通过MODBUS通讯来实现。所述上位机系统包括工控机的控制界面及数据处理系统，用于通信参数的设置、通信指令的发送、控制激光扫描仪的伺服驱动，接收激光扫描数据同时完成点云数据的处理；所述下位机系统包括PLC控制器、步进电机及驱动器等，PLC控制器用于发送PTO脉冲控制步进电机带动激光扫描仪运动；所述数据采集装置由单线激光扫描仪、扫描仪安装架、转盘、底座、轴承、轴承盖和三角支撑结构等组成，用于实现机构的旋转运动。
2.根据权利要求1所述的一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，其特征在于，所述扫描仪为单线激光扫描仪，能够采集目标区域某一平面内的轮廓数据，生成目标区域的二维点云数据。
3.根据权利要求1所述的一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，其特征在于，所述扫描仪安装架的作用是连接转盘和固定扫描仪支架，扫描仪安装架与扫描仪支架通过螺栓连接，镂空部分用于放置激光扫描仪的电源线和电缆线，扫描仪安装架与转盘通过螺栓连接，其底部还设计了圆形凸台，用于与转盘的凹槽相匹配，解决了二者在安装时可能存在的难以对准的问题。同时，考虑到接近开关的使用，还设计了长方形的感应块，用于定位起始原点位置。
4.根据权利要求1所述的一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，其特征在于，所述转盘用于连接扫描仪安装架以及联轴器的末端，转盘顶部凹槽与扫描仪安装架底部凸台相匹配，末端与联轴器相连。考虑到旋转运动的平稳性，在转盘底部设计了安装轴承的轴端。
5.根据权利要求1所述的一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，其特征在于，所述底座用以安装轴承盖、电机支架以及三脚支架。考虑到接近开关的使用，在底座的顶面设计了长方形的支架便于安装接近开关。
6.根据权利要求1所述的一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，其特征在于，所述电机支架用以安装步进电机和减速器。其侧板顶部4个安装孔与底座相连，底板4个装配孔与电机和减速器的组合体相连。为了提高结构稳定性，在内侧设计有三角形腹板。
7.根据权利要求1所述的一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，其特征在于，所述轴承采用角接触球轴承，通过力学分析可知，运动装置轴向受到扫描仪固定装置和转盘的轴向力，另外扫描仪及其安装架的质量重心与轴线存在偏差会产生离心力，该力即为轴承的径向力。考虑到轴承既受轴向力，又受径向力，因此选用角接触球轴承，其型号为GB/T 272-7008AC用以承受系统的轴向力和径向力；所述轴承盖用以固定和保护轴承，其外围六个安装孔与底座相连。
8.根据权利要求1所述的一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，其特征在于，所述三角支撑结构包括三脚支架、顶部连接件与底部连接件，三脚支架与底座通过顶部连接件相连，底部设计有调节螺钉，用以调节系统高度和帮助系统找平，通过底部连接件与支架相连。考虑到支架的刚度和稳定性，三脚支架选用角钢进行制造。
9.根据权利要求1所述的一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，其特征在于，所述PLC控制器包括控制系统部分和电机驱动系统部分；所述控制系统部分采用MODBUS协议通过串口与上位工控机进行通讯，并采用Step7 Micro-Win软件进行编程，利用PLS指令输出PTO脉冲信号至步进电机驱动器；所述电机驱动部分为步进电机驱动系统，接收PTO脉冲信号，输出驱动步进电机带动数据采集装置完成旋转运动，实现了二维平面扫描向三维空间扫描的转化；所述PLC控制器利用软件程序控制旋转运动的实现以及旋转角度数据的传输。
10.根据权利要求1所述的一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，其特征在于，所述数据处理系统通过内置MATLAB GUI软件平台设计，使用MATLAB软件编写相应算法将二维点云数据通过数据解析与融合及坐标变换转化为目标环境的三维点云数据，再通过数据预处理和三维曲面重建获得目标区域的三维模型。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115493523A (zh) * | 2022-11-21 | 2022-12-20 | 三代光学科技（天津）有限公司 | 一种晶圆表面三维形貌高速测量方法及装置 |
| CN117518975A (zh) * | 2024-01-04 | 2024-02-06 | 东北大学 | 一种基于线激光扫描仪的集成电路aoi数据采集控制系统 |
| CN118080205A (zh) * | 2024-04-24 | 2024-05-28 | 四川吉埃智能科技有限公司 | 一种基于视觉的自动喷涂方法及系统 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02114156A (ja) * | 1988-10-25 | 1990-04-26 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 実装基板検査装置 |
| US6389785B1 (en) * | 1997-06-24 | 2002-05-21 | Claas Selbstfahrende Erntemaschinen Gmbh | Contour scanning apparatus for agricultural machinery |
| DE102008039838A1 (de) * | 2008-08-27 | 2010-03-04 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Verfahren zum Abtasten der dreidimensionalen Oberfläche eines Objekts mittels eines Lichtstrahl-Scanners und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
| CN105116922A (zh) * | 2015-07-14 | 2015-12-02 | 华中科技大学 | 一种三维激光扫描装置控制系统 |
| CN107123162A (zh) * | 2016-02-24 | 2017-09-01 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 基于二维激光传感器的三维环境表面三角网格构建方法 |
| CN108051837A (zh) * | 2017-11-30 | 2018-05-18 | 武汉大学 | 多传感器集成室内外移动测绘装置及自动三维建模方法 |
| CN108510587A (zh) * | 2018-02-11 | 2018-09-07 | 上海电力学院 | 一种基于2d激光扫描的室内室外环境建模方法及系统 |
| CN108535736A (zh) * | 2017-03-05 | 2018-09-14 | 苏州中德睿博智能科技有限公司 | 三维点云数据获取方法及获取系统 |
| CN111948667A (zh) * | 2020-07-21 | 2020-11-17 | 苏州玖物互通智能科技有限公司 | 三维扫描系统 |
-
2020
- 2020-12-04 CN CN202011413559.9A patent/CN114593691A/zh active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02114156A (ja) * | 1988-10-25 | 1990-04-26 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 実装基板検査装置 |
| US6389785B1 (en) * | 1997-06-24 | 2002-05-21 | Claas Selbstfahrende Erntemaschinen Gmbh | Contour scanning apparatus for agricultural machinery |
| DE102008039838A1 (de) * | 2008-08-27 | 2010-03-04 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Verfahren zum Abtasten der dreidimensionalen Oberfläche eines Objekts mittels eines Lichtstrahl-Scanners und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
| CN105116922A (zh) * | 2015-07-14 | 2015-12-02 | 华中科技大学 | 一种三维激光扫描装置控制系统 |
| CN107123162A (zh) * | 2016-02-24 | 2017-09-01 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 基于二维激光传感器的三维环境表面三角网格构建方法 |
| CN108535736A (zh) * | 2017-03-05 | 2018-09-14 | 苏州中德睿博智能科技有限公司 | 三维点云数据获取方法及获取系统 |
| CN108051837A (zh) * | 2017-11-30 | 2018-05-18 | 武汉大学 | 多传感器集成室内外移动测绘装置及自动三维建模方法 |
| CN108510587A (zh) * | 2018-02-11 | 2018-09-07 | 上海电力学院 | 一种基于2d激光扫描的室内室外环境建模方法及系统 |
| CN111948667A (zh) * | 2020-07-21 | 2020-11-17 | 苏州玖物互通智能科技有限公司 | 三维扫描系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 王世峰: "一种单线全周式扫描激光雷达的应用及与同类传感器的比较", 《长春理工大学学报》 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115493523A (zh) * | 2022-11-21 | 2022-12-20 | 三代光学科技（天津）有限公司 | 一种晶圆表面三维形貌高速测量方法及装置 |
| CN115493523B (zh) * | 2022-11-21 | 2023-04-25 | 三代光学科技（天津）有限公司 | 一种晶圆表面三维形貌高速测量方法及装置 |
| CN117518975A (zh) * | 2024-01-04 | 2024-02-06 | 东北大学 | 一种基于线激光扫描仪的集成电路aoi数据采集控制系统 |
| CN118080205A (zh) * | 2024-04-24 | 2024-05-28 | 四川吉埃智能科技有限公司 | 一种基于视觉的自动喷涂方法及系统 |
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