CN210719062U - 一种基于无线同步的跟踪装置及扫描系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供一种基于无线同步的跟踪装置及扫描系统，其中，跟踪装置包括：至少两个第一成像模块、第一移动处理平台、第一时钟同步模块以及第一天线模块；第一成像模块与第一移动处理平台、第一时钟同步模块连接；第一移动处理平台与第一天线模块连接，第一时钟同步模块与扫描装置进行数据交互，实现时钟同步；第一天线模块与无线数据网关通信连接。本实用新型实施例提供的系统，实现了全无线跟踪扫描测量的整体方案。

Description

一种基于无线同步的跟踪装置及扫描系统

技术领域

本实用新型涉及三维扫描技术领域，尤其涉及一种基于无线同步的跟踪装置及扫描系统。

背景技术

近年来，三维扫描作为一种快速三维数字化技术被越来越多地应用在各个领域，包括逆向工程、工业检测、计算机视觉、CG制作等等，特别是在当前发展迅猛的3D打印和智能制造领域，三维扫描作为前端三维数字化和三维视觉传感技术，已经成为产业链上的重要一环；同时，各类应用在三维扫描设备的成本、实用性、精确性和可靠性等诸多方面提出了更高的要求。

在工业现场三维测量场景中，在很多面对实际应用的情况无法在被测量物上进行用以空间定位的辅助标志点的粘贴，因此在技术方案上衍生出一种使用跟踪式测量装置对扫描装置进行空间坐标定位。二者组合成跟踪式扫描系统，实现对被测量物的精确三维扫描的测量方式，此种方式可实现无需在被测量物上粘贴辅助标志点而完成扫描工作。

在此系统中存在跟踪装置与扫描装置，两者之间需要精确的工作时钟同步需求以保证系统的整体精度，同时需要信号链路作为扫描仪到计算系统的数据传输；在传统的系统中需要使用物理线缆实现数据以及同步信号的链路实现，这个线缆对很多使用现场带来很大的不便。

实用新型内容

为解决现有的扫描系统中需要使用物理线缆实现数据以及同步信号的链路实现的问题，本实用新型实施例提供一种基于无线同步的跟踪装置及扫描系统。

一方面，本实用新型实施例提供一种基于无线同步的跟踪装置，包括：至少两个第一成像模块、第一移动处理平台、第一时钟同步模块以及第一天线模块；其中，第一成像模块分别与第一移动处理平台以及第一时钟同步模块连接，用于根据投影图案从不同视点获得扫描装置所在空间位置的2D图像数据，并将2D图像数据发送至第一移动处理平台；第一移动处理平台与第一天线模块连接，用于接收第一成像模块发送的2D图像数据，并进行前端处理运算，并将运算后的数据通过第一天线模块发送至计算机终端；第一时钟同步模块与扫描装置进行数据交互，实现时钟同步；第一天线模块与无线数据网关通信连接，用于无线发送和接收第一时钟同步模块的数据和第一移动处理平台的数据，将第一移动处理平台发送的运算后的数据发送至计算机终端，以及将第一时钟同步模块的数据与扫描装置进行交互。

进一步地，第一时钟同步模块包括：第一同步逻辑控制器和第一无线同步协调单元；其中，第一同步逻辑控制器和第一无线同步协调单元通信连接，第一无线同步协调单元向第一同步逻辑控制器输入控制信号；第一同步逻辑控制器与第一成像模块连接，用于根据控制信号向第一成像模块输出脉冲信号；第一无线同步协调单元与第一天线模块连接，用于通过第一天线模块接收和发送数据。

进一步地，第一无线同步协调单元包括第一同步脉冲协调器、第一射频收发器和第一功率放大器；其中，第一射频收发器分别与第一同步脉冲协调器和第一功率放大器连接；第一同步脉冲协调器与第一同步逻辑控制器连接，用于向第一同步逻辑控制器输入脉冲信号；第一功率放大器与第一天线模块连接，用于通过第一天线模块接收和发送数据。

进一步地，第一天线模块包括：第一无线数据传输单元，第一天线复用器和第一内置天线；其中，第一天线复用器分别与第一无线数据传输单元以及第一内置天线连接，第一无线数据传输单元与第一移动处理平台连接，第一天线复用器与第一时钟同步模块连接；第一无线数据传输单元用于实现跟踪装置和扫描装置与计算机终端的通信连接；第一天线复用器用于根据接收的信号的类型，选择与信号的类型对应的第一内置天线的天线匹配电路；第一内置天线用于利用天线匹配电路，对信道进行匹配。

进一步地，第一无线数据传输单元包括设备连接控制子单元，控制图像传感单元拍摄计算机终端提供的包含连接信息的二维码，识别设备对应的计算机终端的目标，然后检测无线连接状态，读取用户设置实现设备和上位机的无线连接。

进一步地，跟踪装置还包括移动电源，移动电源与第一移动处理平台连接，用于为跟踪装置供电。

进一步地，移动电源采用外接电源和电池两种供电模式，并根据外接电源和电池状态自动切换设备供电来源。

进一步地，第一移动处理平台包括至少一个第一移动处理单元，第一移动处理单元，包括：第一控制器和第一图像数据处理器，第一控制器与第一图像数据处理器电连接；第一控制器用于向第一时钟同步模块发送运行指令，以使第一时钟同步模块运行；第一图像数据处理器用于将2D图像数据，进行前端处理运算，运算后的数据为跟踪装置检测结果，并将跟踪装置检测结果通过第一天线模块发送至计算机终端。

进一步地，第一成像模块包括LED投射单元和图像传感单元，LED投射单元和图像传感单元通信连接；LED投射单元用于在物体表面提供投影图案；图像传感单元，用于获取从不同视点获得扫描装置表面的2D图像。

另一方面，本发明实施例还提供一种扫描系统，包括至少一台如上述任一实施例所提供的跟踪装置、至少一台扫描装置、无线数据网关和计算机终端，跟踪装置、扫描装置和计算机终端通过无线数据网关通信连接。

本实用新型实施例提供的基于无线同步的跟踪装置及扫描系统，借助使用设备内置的移动处理平台对扫描测量数据进行计算并通过无线传输，替代了传统方案中使用的数据传输链路的物理线缆，同时由于使用了时钟同步模块，实现了跟踪装置与扫描装置的实时同步采样，实现了全无线跟踪扫描测量的整体方案。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型一实施例提供的基于无线同步的扫描系统的结构示意图；

图2为本实用新型一实施例提供的基于无线同步的跟踪装置的结构示意图；

图3为本实用新型一实施例提供的基于无线同步的跟踪装置内成像模块的结构示意图；

图4为本实用新型一实施例提供的基于无线同步的扫描装置的结构示意图；

图5为本实用新型一实施例提供的基于无线同步的跟踪装置的移动处理平台的结构示意图；

图6为本实用新型一实施例提供的基于无线同步的跟踪装置的天线模块结构示意图；

图7为本实用新型一实施例提供的基于无线同步的跟踪装置的时钟同步模块结构示意图；

图8为本实用新型一实施例提供的基于无线同步的扫描方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参考图1，图1为本实用新型一实施例提供的基于无线同步的扫描系统的结构示意图，所提供的系统包括：至少一台跟踪装置100，至少一台扫描装置200，无线数据网关300和计算机终端400。

其中，跟踪装置100、扫描装置200和计算机终端400通过无线数据网关300通信连接；其中，跟踪装置100中包含第一时钟同步模块，扫描装置200中包含第二时钟同步模块，跟踪装置100和扫描装置通200过第一时钟同步模块和第二时钟同步模块实现时钟同步。

具体地，如图1所示，本实施例提供的扫描系统包含：一台或多台跟踪装置100、一台或多台扫描装置200、无线数据网关300以及一台用于辅助计算显示的计算机终端400。跟踪装置100和扫描装置200通过无线数据网关300进行无线网络连接，跟踪装置100和扫描装置200的数据通过无线网络发送至计算机终端400。

通过此本实施例提供的扫描系统，在完成对扫描测量数据的计算后，将该数据通过无线进行传输，替代了传统方案中使用的数据传输链路的物理线缆，同时由于使用了时钟同步模块，实现了跟踪装置与扫描装置的精确实时同步采样，实现了全无线跟踪扫描测量的整体方案。

基于上述实施例内容，作为一种可选实施例，本实用新型实施例提供一种基于无线同步的跟踪装置。包括但不限于：至少两个第一成像模块、第一移动处理平台、第一时钟同步模块以及第一天线模块；第一成像模块用于根据投影图案从不同视点获得扫描装置所在空间位置的2D图像数据，并将2D图像数据发送至第一移动处理平台；第一移动处理平台，用于接收第一成像模块发送的2D图像数据，并进行前端处理运算，并将运算后的数据通过第一天线模块发送至计算机终端；第一时钟同步模块，用于与扫描装置进行数据交互，实现时钟同步；第一天线模块，用于无线发送和接收第一时钟同步模块的数据和第一移动处理平台的数据，将第一移动处理平台发送的运算后的数据发送至计算机终端，以及将第一时钟同步模块的数据与扫描装置进行交互；第一成像模块分别与第一移动处理平台和第一时钟同步模块连接；第一移动处理平台分别与第一天线模块和第一成像模块连接；其中，第一成像模块可以包括LED投射单元和图像传感单元。

具体的，本实施例中，本实施例提供的跟踪装置的结构示意图如图2所示，跟踪装置100，包括至少两个第一成像模块110，用于根据投影图案从不同视点获得扫描装置空间位置的2D图像，第一时钟同步模块120，用于使跟踪装置100和扫描装置200实现时钟同步，第一移动处理平台130，用于接收成第一成像模块110提供的数据，对数据进行前端数据运算，获得跟踪装置检测结果，并将跟踪装置检测结果提供给第一天线模块140，第一天线模块140，用于无线发送和接收第一时钟同步模块120和第一移动处理平台130的数据，将第一时钟同步模块120的数据与扫描装置200进行交互，将第一移动处理平台130的数据与计算机终端400进行交互，第一成像模块110分别与第一时钟同步模块120、第一移动处理平台130连接，第一天线模块140分别与第一时钟同步模块120、第一移动处理平台130连接。

图3为本实用新型实施中的跟踪装置的成像模块的结构示意图，如图3所示，第一成像模块110，包括LED投射单元112和图像传感单元114，图像传感单元114根据LED投射单元112的投影图案实时从不同视点获得扫描装置空间位置的2D图像；在本实用新型实施例中，LED投射单元112为若干LED，图像传感单元114为工业相机。

具体的，图4为本实用新型实施例提供的一种基于无线同步的扫描装置200的结构示意图，如图4所示，该扫描装置200包括但不限于：至少两个第二成像模块210、第二时钟同步模块220、第二移动处理平台230以及第二天线模块240。

其中：第二成像模块210分别与第二移动处理平台230和第二时钟同步模块220相连，用于在目标物体表面形成投影图案，并根据投影图案获得在若干个视点中目标物体表面的2D图像信息，并将所述2D图像信息发送至所述第二移动处理平台230；

第二时钟同步模块220与跟踪装置100进行数据交互，实现时钟同步。第二移动处理平台230与第二天线模块240相连，用于接收目标物体表面的2D图像信息，并进行前端处理运算，获得目标检测结果，并将目标检测结果通过第二天线模块240发送至所述计算机终端。

第二天线模块240与无线数据网关通信连接，用于无线发送和接收所述第二时钟同步模块220的数据和所述第二移动处理平台230的数据，将所述第二移动处理平台230发送的运算后的数据发送至所述计算机终端，以及将第二时钟同步模块220的数据与扫描装置进行交互。

其中，第二成像模块210包括图案投射单元和图像传感单元。图案投射单元和图像传感单元连接；图案投射单元包括若干激光器和LED投射子单元，激光器和LED投射子单元按照一定的投射角度进行组合，在物体表面形成投影图案；图像传感单元根据图案投射单元产生的投影图案实时从不同视点获得物体表面的2D图像。在一种实施例中，图像传感单元为工业相机。

可选地，扫描装置200还包括便携显示屏，便携显示屏和第二移动处理平台230连接，用于显示设备状态信息和扫描模型图像。

扫描装置200与上述实施例中的跟踪装置100通过第二时钟同步模块220和第一时钟同步模块120实现时钟同步。

进一步地，跟踪装置检测结果为从获取的扫描装置的2D图像中提取的扫描装置表面点的2D特征数据，或者为从获取的扫描装置的2D图像中提取的扫描装置表面点的2D特征数据以及根据扫描装置表面点的2D特征数据集进行三维重建得到三维特征数据集；目标检测结果为从目标物体表面的2D图像信息中提取的目标物体的表面点的2D特征数据，或者为从目标物体表面的2D图像信息中提取的目标物体的表面点的2D特征数据以及根据2D特征数据集进行三维重建得到三维特征数据集。

具体的，参考图5，图5为本实用新型一实施例提供的基于无线同步的扫描系统中跟踪装置的移动处理平台的结构示意图，如图5所示，第一移动处理平台130，包括至少一个第一移动处理单元132，第一移动处理单元132包括：包括第一控制器134、第一图像和数据处理器136；第一控制器134与第一图像和数据处理器136连接，第一图像和数据处理器136分别与第一成像模块110、第一天线模块140连接。其中，第一控制器134向第一时钟同步模块120发送开始指令，第一时钟同步模块120开始运行。第一图像数据处理器136将从第一成像模块110获取的图像数据，处理为跟踪装置检测结果，然后压缩目标检测结果并输出给第一天线模块140，实现扫描装置200位置探测。

另一方面，在扫描装置200中的第二移动处理平台中同样包含至少一个第二移动处理单元，该第二移动处理单元包括：第二控制器、第二图像数据处理器；第二控制器与第二图像数据处理器连接，第二图像数据处理器分别与第二成像模块210、第二天线模块240连接。其中，第二控制器向第二时钟同步模块220发送开始指令，第二时钟同步模块220开始运行。第二图像数据处理器将从第二成像模块210获取的图像信息，处理为目标检测结果，然后压缩目标检测结果并输出给第二天线模块240，实现物体状态探测。

在一种实施方式中，第一移动处理平台130和第二移动处理平台230的第一移动处理单元和第二移动处理单元可使用若干电子芯片为载体执行所述处理功能，所述电子芯片采用CPU、GPU、ARM(Advanced RISC Machine，RISC微处理器)、FPGA(Field-ProgrammableGate Array，现场可编程门阵列)、DSP(Digital Signal Processing，数字处理芯片)中至少一种或多种组合的方式构成。

需要指出的是，第一天线模块与第二天线模块的结构相同。第一天线模块和第二天线模块中包括但不限于：无线数据传输单元、天线复用器和内置天线。其中，无线数据传输单元用于实现跟踪装置100或扫描装置200与计算机终端的通信连接；天线复用器用于根据接收的信号的类型，选择与信号的类型对应的内置天线的天线匹配电路；内置天线用于根据天线匹配电路，对信道进行匹配。其中，无限数据传输单元，可由ARM、DSP、FPGA中的一种实现。

具体的，参考图6，图6为本实用新型一实施例提供的基于无线同步的扫描系统中跟踪装置的天线模块结构示意图，如图6所示，第一天线模块140，包含无线数据传输单元142、天线复用器144和内置天线146，天线复用器144分别与无线数据传输单元142和内置天线146连接，无线数据传输单元142与第一移动处理平台130连接，无线数据传输单元142连接至无线网络后，经天线复用器144和内置天线146使第一移动处理平台130与计算机终端400进行数据交互；天线复用器144还与第一时钟同步模块120的功率放大器530连接，经内置天线146的时钟同步模块120使跟踪装置100与扫描装置200进行数据交互。

其中，无线数据传输单元142还包括设备连接控制子单元，设备连接控制子单元通过网线与计算机终端400连接后，通过获取计算机终端400提供的信息，如包含连接信息的二维码，识别跟踪装置100对应的计算机终端400目标并设置，实现跟踪装置100和计算机终端400的无线或有线连接。连接后，使第一移动处理平台130经第一天线模块140与计算机终端400进行数据交互；使第一时钟同步模块120经第一天线模块140与扫描装置200进行数据交互。

具体地，天线复用器144采用多信道传输方式，多信道传输方式包括两个无线信道传输方式，使第一移动处理平台130与计算机终端400进行数据交互的无线信道以及使第一时钟同步模块120与扫描装置200进行数据交互的无线信道。无线信号的信号类型分为两类，可以通过设置信号的频率范围来实现。其一为经使第一移动处理平台130与计算机终端400进行数据交互的信道的无线信号；其二为使第一时钟同步模块120与扫描装置200进行数据交互的无线信号。内置天线146包括不同的天线匹配电路，与不同的信道进行匹配；无线信号经天线复用器144后，根据不同的信号类型进入不同的无线信道，并将进行无线信道选择后的无线信号传送至对应的天线匹配电路，使不同频率的信号进入不同的接收通道。

经天线复用器144的无线信号根据无线信号的类型选择内置天线的天线匹配电路，使不同的无线信号进入不同的接收通道，即经天线复用器144的无线信号经内置天线分别传输给计算机终端或者扫描装置，减少了内置天线的天线数量，避免了不同信号之间的互相干扰。

在扫描装置的天线模块240中，包含无线数据传输单元、天线复用器和内置天线，天线复用器分别与无线数据传输单元和内置天线连接，无线数据传输单元与第二移动处理平台230连接，无线数据传输单元连接上无线网络后，经天线复用器和内置天线使第二移动处理平台230与计算机终端400进行数据交互；天线复用器还与第二时钟同步模块220的功率放大器连接，经内置天线使第二时钟同步模块220与跟踪装置100进行数据交互；

其中，扫描装置的无线数据传输单元包括设备连接控制子单元，设备连接控制子单元通过网线与计算机终端连接后，通过获取计算机终端提供的信息，如包含连接信息的二维码，识别扫描装置对应的计算机终端400目标并设置，实现扫描装置200和计算机终端400的无线或有线连接。连接后，使第二移动处理平台230经第二天线模块240与计算机终端400进行数据交互；使第二时钟同步模块220经第二天线模块240与跟踪装置100进行数据交互。

在上述实施例的基础上，第一时钟同步模块120和第二时钟同步模块220具体包括：同步逻辑控制器和无线同步协调单元；所述无线同步协调单元具体包括同步脉冲协调器，射频收发器和功率放大器；其中，无线同步协调单元向同步逻辑控制器输入控制信号；其中，射频收发器分别与同步脉冲协调器和功率放大器连接，同步脉冲协调器与同步逻辑控制器连接，用于向同步逻辑控制器输入控制信号，实现第一成像模块110或第二成像模块210的精确同步采样，进而实现全无线跟踪扫描测量。

具体的，本申请的跟踪装置100和扫描装置200的时钟同步模块的结构是相同的。跟踪装置100的第一时钟同步模块120与扫描装置200的第二时钟同步模块220的功能是相同的，

图7为本实用新型一实施例提供的基于无线同步的扫描系统中跟踪装置的时钟同步模块结构示意图，如图7所示，第一时钟同步模块120，包括同步逻辑控制器122和无线同步协调单元124，无线同步协调单元124向同步逻辑控制器122输入控制信号，由同步逻辑控制器122向第一成像模块110发送同步脉冲信号；无线同步协调单元124包括同步脉冲协调器510、射频收发器520和功率放大器530，功率放大器530与第一天线模块140连接，射频收发器520分别与同步脉冲协调器510、功率放大器530连接，同步脉冲协调器510与同步逻辑控制器122连接，向同步逻辑控制器122输入控制信号，控制同步逻辑控制器122的信号输入，实现时钟同步。

在上述实施例的基础上，跟踪装置和扫描装置中还分别设置有移动电源，用于为跟踪装置100和扫描装置200供电。

具体的，如图2和图4所示，跟踪装置100还包括移动电源150，移动电源150与第一移动处理平台130连接，用于给跟踪装置100供电，扫描装置200还包括移动电源250，该移动电源与移动处理平台230连接，用于给扫描装置200供电。移动电源150和250均可采用外接电源和电池两种供电模式，并根据外接电源和电池状态自动切换设备供电来源。

需要说明的是，跟踪装置100也可利用第一时钟同步模块120根据实际需要与除扫描装置200以外的其他跟踪装置实现时钟同步；扫描装置200也可利用第二时钟同步模块220根据实际需要与除跟踪装置100以外的其他扫描装置实现时钟同步，在此就不一一展开。

通过此系统，跟踪装置与扫描装置之间采用了一种基于高精度的闭环时钟校准算法实现的无线同步脉冲协调方案，通过此同步方案实现跟踪装置和扫描装置中的相机的精确同步曝光采样，同时设备内置的移动处理平台对扫描的数据实现高速的实时处理并通过无线信道传输至计算机用以进一步的数据融合计算以及显示。

参考图8，图8为本实用新型实施例提供的基于无线同步的扫描系统的工作流程示意图，所提供的方法流程包括：

S1，选取任一跟踪装置或任一扫描装置作为主节点，通过主节点向其它跟踪装置和扫描装置发送同步授权广播信令，以实现所有跟踪装置和扫描装置时钟同步。

S2，通过跟踪装置和扫描装置对目标物体进行同步扫描，获得扫描装置空间位置的2D图像数据和目标物体表面的2D图像信息，并相应地转化为跟踪装置检测结果和目标检测结果，并将跟踪装置检测结果和目标检测结果通过无线数据网关发送至计算机终端。

S3，计算机终端根据跟踪装置检测结果和目标检测结果，对目标物体进行3D重构。

具体的，一个或多个跟踪装置与一个或多个扫描装置在进行时钟同步时，需要设定一个装置为主节点，其余装置为从节点，主节点可以为跟踪装置，也可以为扫描装置；在本实施例中，系统中包含一个跟踪装置和一个扫描装置，设定跟踪装置为主节点，扫描装置为从节点，跟踪装置和扫描装置进行时钟同步的一种方法为：上电后，将跟踪装置和扫描装置接入无线网络，跟踪装置的时钟同步模块发送同步授权广播信令。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中，通过主节点向其它跟踪装置和扫描装置发送同步授权广播信令，以实现所有跟踪装置和扫描装置时钟同步，包括：以任一跟踪装置为主节点，跟踪装置通过第一时钟同步模块发布同步授权广播信令；除跟踪装置之外的其余跟踪装置以及扫描装置，均设置有对应的时钟同步模块；各个对应的时钟同步模块分别接收同步授权广播信令，实现将除跟踪装置之外的其余跟踪装置以及扫描装置与所述跟踪装置的时间同步。

进一步地，其中，通过跟踪装置和扫描装置对目标物体进行同步扫描，获得扫描装置空间位置的2D图像数据和目标物体表面的2D图像信息，并相应地转化为跟踪装置检测结果和目标检测结果，并将跟踪装置检测结果和目标检测结果通过无线数据网关发送至计算机终端，包括：位于跟踪装置中的第一天线模块将跟踪装置检测结果通过无线数据网关发送至计算机终端；位于除跟踪装置之外的其余跟踪装置以及扫描装置中的各个对应的天线模块，分别与第一天线模块进行信道匹配后，完成将相应地跟踪装置检测结果或目标检测结果通过无线数据网关发送至计算机终端。

具体地，以系统中只有一个跟踪装置和一个扫描装置，且以跟踪装置作为主节点为例，跟踪装置的第一时钟同步模块的无线同步协调单元发送同步授权广播信令。

无线同步协调单元124的同步脉冲协调器510配置射频收发器520及功率放大器530，使跟踪装置100的多个中断工作在统一的信道模式中，建立无线信道；同步脉冲协调器510发送同步授权广播信令；需要指出的是，射频收发器520及功率放大器530的信道参数是可以是第一控制器134配置的，也可以是分别预先设定在射频收发器520及功率放大器530中的。

扫描装置200的第二时钟同步模块220接收到同步授权广播信令后，向跟踪装置100回复携带鉴权密钥的信令。

具体地，扫描装置200的第二时钟同步模块220从第二天线模块240接收到同步授权广播信令后，向跟踪装置100回复携带鉴权密钥的信令；

更具体地，扫描装置200的第二时钟同步模块220的无线同步协调单元的同步脉冲协调器接收到同步授权广播信令后，进行解析，并向跟踪装置100回复携带鉴权密钥的信令；携带鉴权密钥的信令中还包括扫描装置200的本地时间戳及同步码字信令等。

需要指出的是，鉴权密钥可以存在于同步授权广播信令中，也可以是预先设置在第二时钟同步模块220中的同步脉冲协调器中。鉴权密钥存在于同步授权广播信令中时，扫描装置200的同步脉冲协调器将解析获得的鉴权密钥作为携带鉴权密钥的信令的一部分回复给跟踪装置100；当鉴权密钥预先设置在扫描装置200的同步脉冲协调器中时，将同步脉冲协调器中的鉴权密钥作为携带鉴权密钥的信令的一部分回复给跟踪装置100；当鉴权密钥预先设置在扫描装置200的同步脉冲协调器中时，鉴权密钥不容易被截取，安全性高。

跟踪装置100接收携带鉴权密钥的信令后，对信令进行解析，获取鉴权密钥，验证鉴权密钥成功后，与扫描装置200建立同步协调指令通道，通过同步协调指令通道向扫描装置200分发同步反馈指令；

具体地，跟踪装置100的无线同步协调单元124的同步脉冲协调器510接收到携带鉴权密钥的信令后，对信令进行解析验证，获取鉴权密钥，验证鉴权密钥成功后，与扫描装置200建立同步协调指令通道，通过同步协调指令通道向扫描装置200分发同步反馈指令；

更具体地，跟踪装置100的无线同步协调单元124的同步脉冲协调器510对携带鉴权密钥的信令进行解析，获取鉴权密钥后对鉴权密钥进行验证，验证鉴权密钥成功后，与扫描装置200建立同步协调指令通道，通过同步协调指令通道向扫描装置200分发同步反馈指令；

携带鉴权密钥的信令中还包括扫描装置200的本地时间戳及同步码字信令，同步脉冲协调器510根据从携带鉴权密钥的信令中获得的扫描装置的本地时间戳及同步码字信令，实时计算无线信道的延时参数，作为同步反馈指令的一部分。

其中，验证鉴权密钥的方法为，同步脉冲协调器510将扫描装置200反馈的鉴权密钥与自身存储的鉴权密钥进行比对，比对一致后，验证鉴权密钥成功，与扫描装置200的第二时钟同步模块220建立同步协调指令通道，通过同步协调指令通道向扫描装置200分发同步反馈指令。

响应于比对结果不一致，验证鉴权密钥失败，结束与扫描装置200的时钟同步操作，或重新进行授权、鉴权流程。

需要明确的是，本实施例的各装置涉及的信令、指令的解析，可以基于对称算法、非对称算法、摘要算法中的一个或者多个的组合，依据实际需求设定，在此就不一一详述。

扫描装置200根据同步反馈指令进行同步节拍矫正，实现扫描装置200与跟踪装置100同步采样。具体地，扫描装置200的第二时钟同步模块220根据同步反馈指令进行同步节拍矫正，实现扫描装置200与跟踪装置100的同步采样。更具体地，扫描装置200的第二时钟同步模块220的同步脉冲协调器解析同步反馈指令，获取无线信道的延时参数，根据无线信道的延时参数进行同步节拍矫正，调整扫描装置200的系统时钟，实现扫描装置200与跟踪装置100的成像模块的同步采样。

示例性地，扫描装置200的第二时钟同步模块220的同步脉冲协调器将本地时间戳t0、及同步码字信令反馈给跟踪装置100，跟踪装置100根据获取扫描装置200发送的本地时间戳t0、及获取本地时间戳t0和同步码字信令时的时间t1实时计算无线信道的延时参数Δt，在跟踪装置100的时间t2将本地时间t2和延时参数作为同步反馈指令的一部分反馈给扫描装置200，扫描装置200获得同步反馈指令的时间是扫描装置200的本地时间t3，扫描装置200根据t0、t1、t2和t3对本地时间进行同步节拍矫正，调整扫描装置200的系统时钟，使扫描装置200的系统时钟与跟踪装置100的系统时钟同步，实现扫描装置200与跟踪装置100的同步采样。

其中，同步码字信令中包含若干个同步字节、同步码字序号和校验位，跟踪装置100的第一时钟同步模块120的无线同步协调单元124的同步脉冲协调器510对同步码字信令进行解析后，获得同步码字信令，并对同步码字信令进行同步字节甄别，甄别确认后，通过校验位对同步码字的正确性进行判别，若校验位判别错误，则丢弃本次接收的同步码字信令，继续接收下一个同步码字信令作为同步基准；若校验位判别正确，则根据同步码字信令中的同步码字序号，获得同步码字信令中的时间值t0’，与本地时间戳t0进行比较，若不一致，则丢弃本次接收的同步码字信令，继续接收下一个同步码字信令作为同步基准则；若一致，则开始计算无线信道的延时参数。

另外，跟踪装置100与扫描装置200之间进行同步节拍矫正的时间间隔，可以依据实际情况而定。例如，1s，10s等。

跟踪装置与扫描装置实现时钟同步后，跟踪装置与扫描装置的同步脉冲协调器分别输出同步脉冲(控制信号)至同步逻辑控制器，实现跟踪装置100的第一成像模块110与扫描装置200的第二成像模块210同步采样，跟踪装置100的图像传感单元114和扫描装置200的图像传感单元同步采样，进而通过相应地移动处理平台、天线模块发送给计算机终端，实现跟踪装置与扫描装置的精确时间同步。

系统运行前，首先将高反光率的目标(目标标志点)附着到扫描装置上。在此实施例中，参考目标是表面具有回归反射特性的目标，其图案在多边形灯组的发光波段下是可见的，材料被低反射率颜色(例如黑色)的环包围，有助于跟踪装置在传感器的图像中准确识别目标。由于采用了具有回归反射特性的材料，物体的表面需要被照亮以允许对参考目标的恰当识别。

跟踪装置的LED投射单元和扫描装置的LED投射子单元均由多个LED等距构成，正多边形排布，固定在相机前端附近，中心位于相机光轴上且方向和相机光轴观察方向一致的灯组实现标记目标和/或被测物体的补光照亮，LED灯的强度可以经调整以便使图像中目标和背景有足够的亮度差，有助于在传感器的图像中准确识别目标。

在一种实施方式中，跟踪装置100的图像传感单元114为一对相机，跟踪装置100的图像传感单元也可以为多个相机，LED投射单元固定在相机之间，用于获取扫描装置的2D图像。

由于使用圆形的目标标记，在图像中提取反射目标的未失真轮廓可以用椭圆形轮廓来表示。因为相机被校准，未失真轮廓可以使用所属领域中熟知的方法来去除失真，在此实例中，需要从相机参数存储器获得相机的光学特性参数。根据图像中的椭圆形轮廓的方程，可计算所述椭圆形轮廓在3D空间中的定向，可以参考“对3D计算机视觉的介绍性技术(Introductory techniques for 3D computer vision)”的第11章以获得更详细的论述。因为所述圆投射到相机的投射中心，所以所述圆在3D空间中与圆锥相交。在提取轮廓点之后，拟合到局部的3D点集上的模型可以是平面或用于更大精度的二次多项式。在后者的情况中，利用以下模型来应用最小平方法，然后使用常用的椭圆参数计算方法获得其几何参数。

上述处理步骤在设备端的移动处理平台上计算实现，获得了单帧采集的两幅图构建的目标点的坐标位置。上述数据需要传输到计算机终端的处理软件中完成后续的3D重构和表面建模，在此实例中，使用无线通信传输上述数据，同时也支持在高电磁干扰的环境中切换到有线网络传输的模式。

扫描装置的成像模块的图案投射单元的激光器位于扫描装置的前端，用于将激光投射到被测物体上，并被相机捕获。激光器，可以使用3对或更多交叉线图样的红色激光器，同样也可以使用其它类型的投射装置，如白光图形投影仪或蓝色LED图形投影仪；所提取图样投射区域的被测物表面的3D位置信息将根据激光投射装置的类型以及所应用的方法而变化。

示例性地，扫描装置的图像传感单元使用一对相机，相机镜头前端存在和激光器匹配的滤光结构的光过滤装置；也可以向此装置添加若干个相机，以同样的原理获得更精确的匹配或更高精度的最终坐标。相机曝光过程和上述LED以及激光器发光过程经对应的时钟同步模块同步，通过相机捕获的图像上可以清楚的获得目标和激光器图样的成像。

在此实例中，激光图样使用的是3对或更多交叉线图样，通过图像处理计算获得线上各点的2D坐标位置，同样的，因为相机被校准，未失真坐标可以使用所属领域中熟知的方法来去除失真。在此实例中，相机的曝光时间，增益和激光器的光强是可调节的，可以在传感器的图像生成狭窄清晰的线条图样，有助于精确地提取出待测物体在扫描装置的第二坐标系上各点的2D坐标位置。

目标标志点的3D位置使用三角法计算，目标标志点的法向使用视线方向关联的方法计算。首先需要从目标尺寸存储器获得两个相机的位置参数，一般以其中一个相机的光学中心为圆点，然后根据对极几何约束构建基础矩阵，通过极线方程搜索标记圆点的匹配关系；最后将一组匹配的标记点位置通过三角法计算出3D位置，即单个参考目标在设备坐标系下的空间位置。

激光图样的3D坐标计算方式和上述目标中心的坐标计算方法基本一致。考虑到单个激光点特征不足导致的匹配依据缺失和误匹配，需要将点按投射图样的几何特征组合，按组合结果计算带有几何特征的点集合的匹配，然后再使用和目标中心的坐标计算方法。在此实例中，投射图样为交叉线，因此使用线段作为匹配的几何特征，同样的，使用不同的投射图样，需要使用不同的特征和组合，原理是一致的。

在扫描装置扫描过程中，使用者可将图像传感单元至少其一握在其手中移动来实现表面点的全覆盖，此时每一帧的以上步骤获得的数据都是基于当前帧的设备坐标系(第二坐标系)的，由于设备的运动，坐标系相对第一坐标系是不断变化的，设备坐标系中的3D点需要六个刚性变换的自由度的参数传感器的坐标系映射到第一坐标系中。

使用目标标志点的匹配实现变换参数的计算。使用在当前帧计算的目标坐标和参数，在积累的目标模型中寻找基于位置三角位置关系的最佳匹配集合，获取积累的目标中与当前参考目标对应的匹配关系，由此计算将第二坐标系映射到第一坐标系的刚性变换；然后将3D表面点使用相同的刚性变换，对应地从第二坐标系变换到第一坐标系；最后将新的变换后的目标标志点和3D表面点积累到已有的目标框架和表面点集合中。

上述刚性变换也可以考虑使用空间位置或加速度感应装置直接获取。

考虑到扫描距离对精度的影响，在此实例中，扫描装置面向使用者的表面上存在一个距离指示器，通过颜色的变化反映当前设备和扫描物距离的状态。同样的，也可以使用声音提示的方式实现上述功能。

由于表面点存在噪声的影响，难以直接用于显示和测量，在此实例中，上述的3D表面点需要通过重构产生表面模型，最终，经重构表面被传送到用户界面显示器。

为了便于大体积目标的扫描，在此实例中，用户界面显示器分为上位机端连接的主显示器和便携显示屏，其中便携显示屏连接在扫描装置上，与第二移动处理平台连接，显示扫描结果和设备状态，使用HDMI接口传输数据。在此实例中，所述设备状态包含且不限于温度，电量，电源状态，靠近显示屏边缘叠加显示。所述的状态数据来源于连接设备上的各类温度，电量等传感器。

为了便于大体积目标的扫描，在此实例中，可以在待测物体上贴附目标标志点，以更精确地获得待测物体在扫描装置的第二坐标系上各点的2D坐标位置。

本申请的的三维扫描系统，利用跟踪装置获取扫描装置上的目标标志点在第一坐标系的坐标和扫描装置获取在待测物体表面形成的扫描点在第二坐标系的坐标，然后根据目标标志点在第一坐标系的坐标和扫描点在第二坐标系的坐标得到扫描点在第一坐标系的坐标，即可在第一坐标系中构建目标物体的表面，从而生成目标物体三维模型，扫描精度高，方便快捷，而且在无线传输时，工作空间可扩展。

所述扫描装置对待测物体进行扫描，获取在待测物体表面形成的扫描点在第二坐标系的坐标，以及计算机终端根据目标标志点在第一坐标系的坐标和扫描点在第二坐标系的坐标确定扫描点在第一坐标系的坐标，并在第一坐标系下对所述扫描点进行融合，直至完成对待测物体的整体扫描，得到不同扫描点在第一坐标系的坐标的融合结果。

通过此方法，装置与扫描装置之间采用了一种基于高精度的闭环时钟校准算法实现的无线同步脉冲协调方案，通过此同步方案实现跟踪装置和扫描装置中的相机的精确同步曝光采样，此外，设备的同步机制可实现多种终端组合模式，在多终端系统中可配置其中一个终端作为同步系统主节点，其它终端向主节点请求同步授权，亦可保障系统内多设备之间的精确同步，进一步的，设备内置移动处理平台对扫描的数据实现高速的实时处理并通过无线信道传输至计算机用以进一步的数据融合计算以及显示。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于无线同步的跟踪装置，其特征在于，包括：

至少两个第一成像模块、第一移动处理平台、第一时钟同步模块以及第一天线模块；

所述第一成像模块分别与所述第一移动处理平台以及所述第一时钟同步模块连接，用于根据投影图案从不同视点获得扫描装置所在空间位置的2D图像数据，并将所述2D图像数据发送至所述第一移动处理平台；

所述第一移动处理平台与所述第一天线模块连接，用于接收所述第一成像模块发送的所述2D图像数据，并进行前端处理运算，并将运算后的数据通过所述第一天线模块发送至计算机终端；

所述第一时钟同步模块与所述扫描装置进行数据交互，实现时钟同步；

所述第一天线模块与无线数据网关通信连接，用于无线发送和接收所述第一时钟同步模块的数据和所述第一移动处理平台的数据，将所述第一移动处理平台发送的所述运算后的数据发送至所述计算机终端，以及将所述第一时钟同步模块的数据与扫描装置进行交互。

2.如权利要求1所述的跟踪装置，其特征在于，

所述第一时钟同步模块包括：第一同步逻辑控制器和第一无线同步协调单元；

所述第一同步逻辑控制器和第一无线同步协调单元通信连接，所述第一无线同步协调单元向第一同步逻辑控制器输入控制信号；

所述第一同步逻辑控制器与所述第一成像模块连接，用于根据所述控制信号向所述第一成像模块输出脉冲信号；

所述第一无线同步协调单元与所述第一天线模块连接，用于通过所述第一天线模块接收和发送数据。

3.如权利要求2所述的跟踪装置，其特征在于，

所述第一无线同步协调单元包括第一同步脉冲协调器、第一射频收发器和第一功率放大器；

所述第一射频收发器分别与所述第一同步脉冲协调器和所述第一功率放大器连接；

所述第一同步脉冲协调器与所述第一同步逻辑控制器连接，用于向所述第一同步逻辑控制器输入脉冲信号；

所述第一功率放大器与所述第一天线模块连接，用于通过所述第一天线模块接收和发送数据。

4.如权利要求1所述的跟踪装置，其特征在于，所述第一天线模块包括：第一无线数据传输单元，第一天线复用器和第一内置天线；所述第一天线复用器分别与第一无线数据传输单元以及第一内置天线连接，所述第一无线数据传输单元与所述第一移动处理平台连接，所述第一天线复用器与所述第一时钟同步模块连接；

所述第一无线数据传输单元用于实现所述跟踪装置和扫描装置与所述计算机终端的通信连接；

所述第一天线复用器用于根据接收的信号的类型，选择与所述信号的类型对应的所述第一内置天线的天线匹配电路；

所述第一内置天线用于利用所述天线匹配电路，对信道进行匹配。

5.如权利要求4所述的跟踪装置，其特征在于，所述第一无线数据传输单元包括设备连接控制子单元，控制图像传感单元拍摄所述计算机终端提供的包含连接信息的二维码，识别设备对应的计算机终端的目标，然后检测无线连接状态，读取用户设置实现设备和上位机的无线连接。

6.如权利要求1所述的跟踪装置，其特征在于，所述跟踪装置还包括移动电源，所述移动电源与所述第一移动处理平台连接，用于为所述跟踪装置供电。

7.如权利要求6所述的跟踪装置，其特征在于，所述移动电源采用外接电源和电池两种供电模式，并根据外接电源和电池状态自动切换设备供电来源。

8.如权利要求1所述的跟踪装置，其特征在于，

所述第一移动处理平台包括至少一个第一移动处理单元，所述第一移动处理单元，包括：第一控制器和第一图像数据处理器，所述第一控制器与第一图像数据处理器电连接；

所述第一控制器用于向所述第一时钟同步模块发送运行指令，以使所述第一时钟同步模块运行；

所述第一图像数据处理器用于将所述2D图像数据，进行前端处理运算，运算后的数据为跟踪装置检测结果，并将所述跟踪装置检测结果通过所述第一天线模块发送至所述计算机终端。

9.如权利要求1所述的跟踪装置，其特征在于，所述第一成像模块包括LED投射单元和图像传感单元，所述LED投射单元和图像传感单元通信连接；

所述LED投射单元用于在物体表面提供投影图案；

所述图像传感单元，用于获取从不同视点获得所述扫描装置表面的2D图像。

10.一种扫描系统，其特征在于，包括至少一台如权利要求1所述的跟踪装置、至少一台扫描装置、无线数据网关和计算机终端，所述跟踪装置、扫描装置和计算机终端通过所述无线数据网关通信连接。

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