CN219574379U - 一种背包式三维激光扫描与立体成像组合系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种背包式三维激光扫描与立体成像组合系统，包括：双目立体相机、背包框架、移动电源、GPS/IMU、GPS天线、差分GPS基站、移动工作站、二维激光雷达；背包框架为长方体结构的框架，四周的四面包括第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面依次连接，双目立体相机和二维激光雷达安装在背包框架的第一侧面上；GPS/IMU安装在背包框架内；GPS天线位于背包框架的上方；二维激光雷达、双目立体相机、GPS/IMU通过线缆与移动工作站连接。本实用新型公开的技术内容，具有信息量丰富、可量测、便于使用、扩展性强、高可靠性、结构紧凑和性能可靠稳定的特点。

Description

一种背包式三维激光扫描与立体成像组合系统

技术领域

本实用新型涉及彩色三维数据获取技术领域，更具体地，涉及一种背包式三维激光扫描与立体成像组合系统。

背景技术

随着三维建模、数字城市、森林资源管理、森林参数反演等应用对彩色三维数据的需要，快速、准确获取目标场景的三维信息已经越来越具经济价值和应用前景。三维激光雷达系统作为主动遥感技术通过向被测物体发射激光束的方式，无需接触被测量物体，能够快速、准确的获取空间场景三维点云数据。三维激光雷达系统可以根据搭载平台的不同分为机载激光雷达系统、车载激光雷达系统、地基激光雷达系统和便携激光雷达系统等。不同平台的三维激光雷达系统所针对的应用场景具有较大的差异。机载激光雷达系统适用于大范围的获取场景顶部的三维点云数据。车载激光雷达系统适用于获取城市路网数据，可有效获取道路两侧地物的三维点云数据，能够与机载雷达系统形成优势互补。地基激光雷达系统使用灵活，适用于小场景局部目标三维信息的获取，但扫描速度慢，后期点云拼接效率低。

便携式激光雷达系统可方便的对小型工件进行手持扫描，常用于逆向工程。随着不同需求的涌现，应用激光雷达技术的领域多种多样，在森林资源管理、森林参数反演研究调查领域就急需一种便携、灵活、高精度、实时性强、自动化程度高、可单人作业的三维激光扫描和深度图像获取的作业系统，主要用于常规三维激光扫描系统不能到达和采集的复杂地形区域，以及获取带有位置、姿态信息的彩色影像和深度图像数据。

现有的解决方案系统自动化程度低，灵活性差，单人作业困难，尤其是复杂地形区域数据获取难度大。同时，现有的技术通常在后期处理中匹配点云数据和彩色图像，无法实时呈现扫描结果，实时性较差。

因此，如何提供一种背包式三维激光扫描与立体成像组合系统成为本领域亟需解决的技术难题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种背包式三维激光扫描与立体成像组合系统。

根据本实用新型，提供了一种背包式三维激光扫描与立体成像组合系统，包括，双目立体相机、背包框架、移动电源、GPS/IMU、GPS天线、差分GPS基站、移动工作站、二维激光雷达；

背包框架为长方体结构的框架，四周的四面包括第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面依次连接，双目立体相机和二维激光雷达安装在背包框架的第一侧面上；GPS/IMU安装在背包框架内部；GPS天线位于背包框架的上方；

二维激光雷达、双目立体相机、GPS/IMU通过线缆与移动工作站连接。

可选地，背包框架包括：背负结构和底部结构；

背负结构与底部结构垂直连接，构成L形结构。

可选地，背包框架还包括：笼形安装架；

笼形安装架固定于底部结构上。

可选地，GPS/IMU位于笼形安装架的内部，二维激光雷达固定于笼形安装架一侧的外壁上。

可选地，背包框架还包括：U形支架；

U形支架固定于笼形安装架的上部且靠近背负结构的一侧。

可选地，GPS天线为两个，分别位于U形支架的两端。

可选地，GPS天线位于背包框架范围之外。

可选地，系统还包括：移动电台和移动电台天线；

移动电台及移动电台天线固定于笼形安装架的上部。

可选地，双目立体相机具有两个镜头，能同时对空间进行拍摄。

可选地，二维激光雷达的最大扫描距离为80m，二维激光雷达的扫描角分辨率和扫描范围可调节。

根据本实用新型公开的技术内容，具有如下有益效果：可完成激光点云、彩色影像和深度图像采集的移动测绘，用于同时获取现实世界环境的三维点云和立体成像，并最大程度地还原了真实的三维空间，具有信息量丰富、可量测、便于使用、扩展性强的特点。本发明具有高集成性，集成了二维激光雷达、双目立体相机、卫星定位、惯性导航单元、控制单元；具有高可靠性、结构紧凑、性能可靠稳定，采用了可更换移动电源供电支持长时间稳定工作，刚性卡板设计确保结构紧凑；系统具有易携带性，设备总重量15kg便于外业人员背负作业。获取的三维点云数据和深度图像可应用于三维建模、数字城市、森林资源调查、森林参数反演等领域。本发明能够解决现有三维激光雷达系统在资源定量测量和参数反演应用中由于设备复杂体积大、成本高昂、弱灵活性之间的矛盾的问题。通过背包形式可沿规划路线快速获取场景三维激光点云数据，可用于计算地物精细结构参数。

通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施例，并且连同其说明一起用于解释本实用新型的原理。

图1为根据实施例提供的一种背包式三维激光扫描与立体成像组合系统示意图；

图2为根据实施例提供的一种背包式三维激光扫描与立体成像组合系统中的支撑部分示意图；

图3为根据实施例提供的一种背包式三维激光扫描与立体成像组合系统中的移动工作站示意图。

附图标记说明：

1-GPS天线

2-背包框架

21-背负结构

22-底部结构

23-笼形安装架

24-U形支架

3-移动电台

4-二维激光雷达

5-双目立体相机

6-移动工作站

7-移动电源

8-GPS/IMU

9-移动电台天线

10-差分GPS基站。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

根据本实用新型，如图1-图3所示，提供了一种背包式三维激光扫描与立体成像组合系统，包括，全球卫星定位系统卫星信号接收天线1即GPS天线1、背包框架2、移动电台3、二维激光雷达4、双目立体相机5、移动工作站6、移动电源7、全球卫星定位系统卫星信号系统8即GPS/IMU、移动电台天线9和差分全球卫星定位系统基站10即差分GPS基站10；

背包框架2包括背负结构21、底部结构22、笼形安装架23和U形支架24；背包框架2为长方体结构的框架，四周的四面包括第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面依次连接，双目立体相机和二维激光雷达安装在背包框架的第一侧面上；GPS/IMU安装在背包框架内部，GPS/IMU为正方体结构，所述背包框架围绕着GPS/IMU的正方体结构而设计，背包框架内部结构能够容纳所述GPS/IMU；GPS天线位于背包框架的上方；

双目立体相机5安装在背包框架2上，用于获取成像方向的彩色影像像对，在后处理阶段生成深度图像，在本实施例中，GPS/IMU可以同时获得系统位置信息以及系统在行进过程中的俯仰角、偏航角和翻滚角信息，二维激光雷达4位于背包框架2的一侧，可获取二维激光雷达4扫描中心距离被测物体表面的距离和扫描角度，采集场景三维点云数据；两个GPS天线1分别位于背包框架2的前后两端，可经差分GPS技术得到系统的瞬时空间位置以及航向，GPS天线1为本实施例的全球定位系统天线；移动电源7位于背包框架2的上方，输出电压为24V直流电，可根据作业时间选择多块电池构成电池组为双目立体相机5、二维激光雷达4、GPS/IMU8和移动电台3持续供电，移动工作站通过线缆与双目立体相机5和二维激光雷达4相连，可向二维激光雷达4发送数据扫描范围、扫描角分辨率和采集信息类型的设置，也同时控制双目立体相机5对环境进行立体成像；

GPS天线1和GPS/IMU构成定位和定姿系统，如图2所示，由支撑部分提供修正量，可得到系统工作过程中的高精度的实时空间位置和设备姿态(俯仰角、偏航角和翻滚角信息)数据用于统一解算三维点云数据；

二维激光雷达4、双目立体相机5、GPS/IMU通过线缆与移动工作站8连接，为二维激光雷达4设置扫描参数与双目立体相机5的成像频率；存储双目立体相机5、二维激光雷达4、GPS/IMU8采集的数据以及系统同步时间数据。移动工作站6在后处理阶段对采集的数据进行后处理操作，生成带有位置和姿态信息的彩色影像、深度图像和三维点云数据。

在一些实施例中，背包框架32包括：背负结构21和底部结构22；

背负结构21与底部结构22垂直连接，构成L形结构。

背包框架2还包括：笼形安装架23；

笼形安装架23固定于底部结构22上。

IMU位于笼形安装架23的内部，二维激光雷达4固定于笼形安装架23一侧的外壁上。

背包框架2还包括：U形支架24；

U形支架24固定于笼形安装架23的上部。

GPS天线1位于U形支架24的两端。

U形支架24的长度大于背负结构21的长度。

系统还包括：移动电台3及其天线9；

移动电台3及移动电台天线9固定于笼形安装架23的上部。

在一些实施例中，双目立体相机5具有两个镜头，能同时对空间进行拍摄，得到两张彩色影像。在后处理阶段，根据双目立体相机的标定参数计算深度信息，从而生成深度图像；双目立体相机5与二维激光雷达位于同一侧，用于获取相同位置的电云数据和图像以及深度数据。

在一些实施例中，二维激光雷达4的最大扫描距离为80m，二维激光雷达4的扫描角分辨率和扫描范围能够调节。

在一些实施例中，移动工作站6设有软件模块，主要完成二维激光雷达4测距和测角数据、双目立体相机5成像数据、GPS/IMU的定位、定姿数据，以及传感器的时间同步信息的采集。

在移动工作站中设置软件模块，包括：二维激光雷达4的扫描参数设置模块、双目立体相机5成像频率设置模块、数据后处理模块；其中，数据后处理模块对系统双目立体相机5、二维激光雷达4、GPS/IMU获取的数据进行后处理操作，输出三维点云数据、具有位置、姿态信息的彩色影像和深度图像数据。后处理操作的过程包括以下步骤：

步骤1、加载二维激光雷达4、双目立体相机5、GPS/IMU8和系统时间同步数据。

步骤2、根据二维激光雷达4的某一时刻的测距和测角数据计算出激光雷达坐标系下的三维坐标数据。

步骤3、利用二维激光雷达4与GPS/IMU在背包框架2中的定标后几何关系将步骤2三维坐标统一解算到IMU坐标系中。

步骤4、读取同一时刻全球定位系统的坐标数据和IMU获取的系统姿态数据，将步骤3计算的三维坐标统一到全球导航系统所在的空间直角坐标系，将所有经过坐标变换的空间点组合得到环境的真三维点云数据。

步骤5、读取双目立体相机5拍摄的同一时刻的彩色立体像对，采用图像匹配算法计算深度图像。

综上，本实用新型公开的技术内容，可完成激光点云、彩色影像和深度图像采集的移动测绘，用于同时获取现实世界环境的三维点云和立体成像，并最大程度地还原了真实的三维空间，具有信息量丰富、可量测、便于使用、扩展性强的特点。本发明具有高集成性，集成了二维激光雷达、双目立体相机、卫星定位、惯性导航单元；具有高可靠性、结构紧凑、性能可靠稳定，采用了可更换移动电源供电支持长时间稳定工作，刚性卡板设计确保结构紧凑；系统具有易携带性，设备总重量15kg便于外业人员背负作业。获取的三维点云数据和深度图像可应用于三维建模、数字城市、森林资源调查、森林参数反演等领域。本发明能够解决现有三维激光雷达系统在资源定量测量和参数反演应用中由于设备复杂体积大、成本高昂、弱灵活性之间的矛盾的问题。通过背包形式可沿规划路线快速获取场景三维激光点云数据，可用于计算地物精细结构参数。

虽然已经通过例子对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种背包式三维激光扫描与立体成像组合系统，其特征在于，包括：双目立体相机、背包框架、移动电源、GPS/IMU、GPS天线、差分GPS基站、移动工作站、二维激光雷达；

所述背包框架为长方体结构的框架，四周的四面包括第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面依次连接；所述双目立体相机和二维激光雷达安装在背包框架的第一侧面上；所述GPS/IMU安装在背包框架内部；所述GPS天线位于背包框架的上方；

所述二维激光雷达、双目立体相机、GPS/IMU通过线缆与所述移动工作站连接；

所述背包框架包括：背负结构和底部结构；

所述背负结构与底部结构垂直连接，构成L形结构；

所述背包框架还包括：笼形安装架；

所述笼形安装架固定于底部结构上；

所述GPS/IMU位于笼形安装架的内部，所述二维激光雷达固定于笼形安装架一侧的外壁上；

所述背包框架还包括：U形支架；

所述U形支架固定于笼形安装架的上部且靠近背负结构的一侧；

所述GPS天线为两个，分别位于U形支架的两端；

所述二维激光雷达的最大扫描距离为80m，所述二维激光雷达的扫描角分辨率和扫描范围可调节。

2.根据权利要求1所述的背包式三维激光扫描与立体成像组合系统，其特征在于，所述GPS天线位于背包框架范围之外。

3.根据权利要求1所述的背包式三维激光扫描与立体成像组合系统，其特征在于，所述系统还包括：移动电台和移动电台天线；

所述移动电台及移动电台天线固定于所述笼形安装架的上部。

4.根据权利要求1所述的背包式三维激光扫描与立体成像组合系统，其特征在于，所述双目立体相机具有两个镜头，能同时对空间进行拍摄。