一种结合可调激光测距探头阵列与智能终端的空间扫描系统及方法与流程

本发明涉及三维扫描技术领域，尤其是一种用于大范围数据采集的结合可调激光测距探头阵列与智能终端的空间扫描系统及方法。

背景技术：

三维扫描技术是近年来被广泛关注的技术领域。从微软公司的Kinect，到苹果公司收购Primsense,再到Intel进行大力推广的realsense都属于三维扫描技术。三维扫描的技术的基础，就是通过三维扫描器件，输出前方某一物点距离三维扫描器件的原点的距离。

拍照式三维扫描仪是一种高速高精度的三维扫描测量设备，应用的是目前国际上最先进的结构光非接触照相测量原理。采用一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术。它采用的是白光光栅扫描，以非接触三维扫描方式工作，全自动拼接，具有高效率、高精度、高寿命、高解析度等优点，特别适用于复杂自由曲面逆向建模， 主要应用于产品研发设计（RD，比如快速成型、三维数字化、三维设计、三维立体扫描等）、逆向工程（RE，如逆向扫描、逆向设计）及三维检测（CAV），是产品开发、品质检测的必备工具。三维扫描仪在部分地区又称为激光抄数机或者3D抄数机。

激光扫描，是一种从复杂实体或者实景中重建目标全景数据及模型的技术。激光扫描仪成功用于多个领域，如工业测量、地形测量、文物保护、城市建模、并行检测、逆向工程及虚拟现实等。

采用上述现有技术进行应用于大范围三维扫描，存在以下不足之处：

（1）现有技术的主要问题在于采用高精确拍照采集，测量精度高，但随之带来采集数据过大，对于大型样品的扫描数据收集构成限制。在扫描过程中，使用逻辑拼接容易导致错误的产生。

（2）现有技术在小范围精确测量中表现极其出色，但在大型测绘作业使用中无法测量满足。

（3）现有的测量技术设备需要逻辑的连续计算，当一次测量需要进行暂停操作时，会导致测量需要重新开始。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种结合可调激光测距探头阵列与智能终端的空间扫描系统及方法，该系统使用简单逻辑，与多探头测量，可以在保证测量精度的前提下，解决大范围测量需求。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种结合可调激光测距探头阵列与智能终端的空间扫描系统，其特征在于包括距离采集子系统、角度控制子系统和控制管理子系统，其中：

所述距离采集子系统包括由可调激光测距探头组成的探头阵列，探头阵列设置于载板上，在载板上留有每个可调激光测距探头的独立转动空间，每个可调激光测距探头在其独立转动空间内左右和前后摆动，以扩大探头阵列的扫描范围，每个可调激光测距探头均可独立收集距离信息，每个可调激光测距探头的角度数据和测量距离可进行独立计算；

所述角度控制子系统调整可调激光测距探头的方向，使探头阵列对准标定方向，同时配合距离采集子系统完成扫描定位作业；

所述控制管理子系统分别与距离采集子系统、角度控制子系统连接，显示测量距离、偏移角度，并计算、记录、分享扫描坐标数据。

对上述方案作进一步优选，所述可调激光测距探头平行等距排列形成探头阵列，可调激光测距探头与载板之间为球面配合，可调激光测距探头在载板内绕球心转动，在可调激光测距探头下方设有角度控制子系统。

对上述方案作进一步优选，所述角度控制子系统包括左右调节机构和前后调节机构，其中左右调节机构位于探头阵列下方，其控制每个可调激光测距探头绕球心在左右方向摆动角度，前后调节机构位于左右调节机构的下方，其控制每行可调激光测距探头绕球心在前后方向摆动角度；前后调节机构通过位于两端的固定夹头，固定支撑于底部的水平支撑台上。

对上述方案作进一步优选，所述左右调节机构包括左调节电机、右调节电机和皮带轮，其中其中皮带轮位于每个可调激光测距探头下方，并且由皮带轮驱动可调激光测距探头绕球心摆动；探头阵列分为左半部分和右半部分，其中左半部分和右半部分探头阵列的皮带轮通过皮带依次串接，形成联动机构，左半部分和右半部分的可调激光测距探头作为一组，同方向摆动，左半部分的可调激光测距探头由位于左端的左调节电机驱动，右半部分的可调激光测距探头由位于右端的右调节电机驱动。

对上述方案作进一步优选，所述左调节电机和右调节电机之间设有同步器；相邻两个皮带轮之间的传动比保持不变，同一行内的可调激光测距探头，其左右摆动角度由两端向中间依次减小。

对上述方案作进一步优选，所述前后调节机构包括固定一行可调激光测距探头的横向单列载板，横向单列载板的下表面设有与之啮合的齿轮，其中位于前半部分的可调激光测距探头下方的齿轮为前摆齿轮，位于后半部分的可调激光测距探头下方的齿轮为后摆齿轮，在前摆齿轮和后摆齿轮之间设有两个相互啮合的中间轮，两个中间轮分别于前摆齿轮和后摆齿轮啮合，其中后摆齿轮与前后调节电机之间皮带传动。

对上述方案作进一步优选，所述左右调节机构上设有左右角度传感器，前后调节机构上设有前后角度传感器，左右调节机构和前后调节机构通过控制器来调整转动角度，左右角度传感器和前后角度传感器采集转动角度反馈至控制器。

一种空间扫描方法，该方法使用上述结合可调激光测距探头阵列与智能终端的空间扫描系统，其特征在于通过如下步骤获得每一个可调激光测距探头到测量物体表面测量点相对于系统的坐标（X、Y、Z）：

步骤S1：独立的一个可调激光测距探头对应系统的坐标为（x、y、z）左右方向为X轴，前后方向为Y轴，上下方向为Z轴；

步骤S2：可调激光测距探头对准测量物体表面测量点，检测到距离为L；

步骤S3：可调激光测距探头完成对准采集后，获得测距探头左右方向与竖直方向的夹角α，前后方向与竖直方向的夹角β；

步骤S4：控制管理子系统根据已收到的距离数据L，左右及前后偏移角度α，β，得出测量物体表面测量点相对系统的坐标（X、Y、Z），

步骤S5：控制管理子系统控制角度控制子系统，调整调节电机改变测量对准位置；

步骤S6：控制管理子系统控制角度控制子系统，角度传感器采集改变后的测量位置夹角及此时刻可调激光测距探头的距离信息；

步骤S7：控制管理子系统通过采集、计算、记录、整理多次测量数据，显示测量物表面不同测量点的空间位置信息，得出模拟对象结果。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

（1）本发明中的结合可调激光测距探头阵列与智能终端的空间扫描系统，采用可调激光测距探头布置的探头阵列，对探头阵列进行水平方向的左右摆动和前后摆动，通过控制摆动角度，同时利用多个独立探头同时测量，结合简单的逻辑运算，可以在保证测量精度的前提下，解决大范围测量需求，并可以配合定位系统；

（2）本发明中，对可调节激光测距探头进行方向调整，同时利用角度传感器采集转动角度，反馈至控制器，并配合定位系统，实现测量的暂停和继续，支持续点重启功能，进一步优化测量取值过程，调节精度设置，保证测量精度的实现；

（3）本发明中的探头阵列，利用左右调节电机和前后调节电机，对可调激光测距探头实现了左右方法的均匀角度调节和前后方向的相同角度调节功能，通过设置合理的电机进给精度，可合理设置测量精度的需求范围，提高扫描精度，加快扫描过程的进行；

（4）本发明中的空间扫描方法，只需要距离数据L、偏移角度α和β，通过简单逻辑输出，即可获得空间位置坐标，提高运算速度计算简洁，效率高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的系统组成框架图；

图2是本发明中角度控制子系统的信号传输流程图；

图3是本发明中距离采集子系统的探头阵列图；

图4是本发明中角度控制子系统的结构图（图3中A-A剖视图）；

图5是本发明中角度控制子系统的结构图（图3中B-B旋转剖视图）；

图6是本发明中距离采集子系统位置校正示意图；

图中：1、可调激光测距探头，2、载板，3、固定夹头，4、水平支撑台， 7、左右角度传感器，8、前后角度传感器，9、控制器，10、右调节电机，11、左调节电机，12、皮带轮，13、前后调节装置，14、横向单列载板，15、前摆齿轮，16、中间轮，17、后摆齿轮，18、前后调节电机。

具体实施方式

附图1为结合可调激光测距探头阵列与智能终端的空间扫描系统组成框架示意图，该系统主要是利用激光测距部分对准目标测量物，每个激光测距探头收集距离信息，形成阵列数据编号保存，对应探头偏移角度，运算并模拟显示测量物模型。其具体包括距离采集子系统、角度控制子系统和控制管理子系统，每个子系统均包括信号传输模块和供电模块，距离采集子系统同激光阵列中采集的位置信息和距离信息，传递至控制管理子系统，控制管理子系统对信息进处理后，发送至角度控制子系统，角度控制子系统对距离采集子系统进行控制，调整其朝向和范围，使其能够根据需要来采集信息；同时，在激光阵列采集信息的过程中，通过置于距离采集子系统中的角度传感器，采集角度信息，并把角度信息反馈至控制管理子系统，控制管理子系统把信息传递至距离采集子系统，使其能够对激光阵列的采集范围进行校正。在上述的三个子系统之间，信息相互传递，形成了包括定向、反馈和调整为一体的智能扫描系统，实现了大范围的信息扫描。

上述的距离采集子系统用于对远程目标物进行扫描，并测定目标物中各点距离采集设备的距离，其具体包括由可调激光测距探头1组成的探头阵列，探头阵列设置于载板2上，可调激光测距探头1在载板2上的排布方式为平行等距排列，形成的矩形探头阵列，如附图3所示，具体为3行17列的矩阵排布方式，共51个可调激光测距探头1。为了实现每个可调激光测距探头1的角度可调，在载板2上留有每个可调激光测距探头1的独立转动空间，每个可调激光测距探头1在其独立转动空间内左右和前后摆动，以扩大探头阵列的扫描范围。具体为可调激光测距探头1平行等距排列形成探头阵列，可调激光测距探头1与载板2之间为球面配合，可调激光测距探头1在载板2内绕球心转动，实现可调激光测距探头1任意角度的调整，其调整机构是设在调激光测距探头1下方设有角度控制子系统。上述的每个可调激光测距探头1均可独立收集距离信息，每个可调激光测距探头1的角度数据和测量距离可进行独立计算。

距离采集子系统的工作原理是是由可调激光测距探头1散布形成的探头阵列中，每个探头都独立收集到测量物的距离数据。所有探头收集到的距离信息成组记录、储存、显示，在计算机上对应模拟出测量物形状特征。

本系统中的角度控制子系统调整可调激光测距探头1的方向，使探头阵列对准标定方向，同时配合距离采集子系统完成扫描定位作业；其实现方式是角度控制子系统如附图4和5所示，具体设置了左右调节机构和前后调节机构，其中左右调节机构位于探头阵列下方，其控制每个可调激光测距探头1绕球心在左右方向摆动角度，前后调节机构位于左右调节机构的下方，其控制每行可调激光测距探头1绕球心在前后方向摆动角度；前后调节机构通过位于两端的固定夹头3，固定支撑于底部的水平支撑台4上，使整个系统处于持久稳定状态。

为了实现对探头阵列的反馈调节，在左右调节机构上设有左右角度传感器7，前后调节机构上设有前后角度传感器8，左右调节机构和前后调节机构通过控制器9来调整转动角度，左右角度传感器7和前后角度传感器8采集转动角度反馈至控制器9，这样在前后调节机构、左右调节机构和控制器9之间形成的双闭环控制系统，如附图2所示，两个闭环控制系统独立运行，对载板2的方向进行精确调整，根据扫描的信息，实现了可调激光测距探头1在左右及前后转角的反馈调节，实现了智能控制，而且整个结构组成简单，控制便于实现，整体成本可控。

附图4中给出了左右调节机构的结构图，左右调节机构包括左调节电机11、右调节电机10和皮带轮12，以图中的3行17列共51个探头组成的探头矩阵矩阵为例，其中探头阵列分为左半部分和右半部分，左半部分的8列可调激光测距探头1和右半部分的8列可调激光测距探头1下方均设置了皮带轮12，皮带轮12与可调激光测距探头1下表面摩擦，在皮带轮12转动时，带动可调激光测距探头1绕着球心摆动。皮带轮12为2级轮，左半部分和右半部分探头阵列的皮带轮12通过皮带依次串接，形成两组联动机构，左半部分和右半部分的可调激光测距探头1作为一组，同方向摆动，左半部分的可调激光测距探头1由位于左端的左调节电机11驱动，右半部分的可调激光测距探头1由位于右端的右调节电机10驱动。

在具体操作时，为了保证左半部分和有半部分的可调激光测距探头1的转动角度相同，在左调节电机11和右调节电机10之间设有同步器，保证两个电机具有相同的转角。在调整转角后，为了保证每个可调激光测距探头1发射的激光继续保持均与分布，要求同组的每个可调激光测距探头1旋转角度不同，由外向内，其旋转角度为依次递减，这样要求同组相邻两个皮带轮12之间的传动比保持不变，同一行内的可调激光测距探头1，其左右摆动角度由两端向中间依次减小。该机构由一个独立驱动结构驱动，使用多级传动结构，保持竖向探头呈梯度性偏移。

附图5为前后调节机构的结构图，以图中的3行17列共51个探头组成的探头矩阵矩阵为例来说明该机构的具体组成及运动方式。前后调节机构具体包括固定一行可调激光测距探头1的横向单列载板14，在图中设置了3个横向单列载板14，在1和3行横向单列载板14的下表面中部设置了有与之啮合的齿轮，其中第1行横向单列载板14下方的齿轮为前摆齿轮15，第3行横向单列载板14下方的齿轮为后摆齿轮17，在前摆齿轮15和后摆齿轮17之间设有两个相互啮合的中间轮16，两个中间轮16分别于前摆齿轮15和后摆齿轮17啮合，其中后摆齿轮17与前后调节电机18之间皮带传动。

在前后调节机构中，后摆齿轮17位主动轮，其带动第3行的横向单列载板14摆动，实现整行的可调激光测距探头1绕球心前后摆动，后摆齿轮17与中间轮16啮合，通过两个中间轮16的过渡，使前摆齿轮15转动方向与后摆齿轮17相反，前摆齿轮15带动第1行可调激光测距探头1绕球心前后摆动。前摆齿轮15和后摆齿轮17齿数相同，其摆动角度相同，这样在前后调节电机18的带动下，实现了第1和3行可调激光测距探头1前后方向摆动，第2行可调激光测距探头1保持不同。若可调激光测距探头1行数增加，可以对称设置，通过皮带或齿轮传动方式，由外向内摆动角度依次递减，保持可调激光测距探头1横向对称偏移。

另外，在上述的前后调节机构中，中间轮16可以设置为1个，由前后调节电机18直接带动中间轮16，实现前摆齿轮15和后摆齿轮17的反向转动。

本系统中的控制管理子系统主要是通过其他子系统采集数据进行计算，该子系统分别与距离采集子系统、角度控制子系统连接，显示测量距离、偏移角度，并计算、记录、分享扫描坐标数据。

控制管理子系统的工作原理：在探头进行扫描作业时，扫描阵列会对每个扫描探头的测量点，进行模型模拟，在模拟参考坐标系下，根据每个探头测量出的距离L与探头偏移角度α、β，计算出对应测量点的对应模拟参考系下的对应坐标，从而模拟现实该对应点，实现三维扫描作业。多个点的数据整合，形成点阵立体模型，完成扫描的实现。同时计算机可根据需求测量精度，设置调整探头偏移角度，增加扫描范围或提升扫描精细度。

根据上述原理，开发了结合可调激光测距探头阵列与智能终端的空间扫描系统的方法，通过如下步骤获得每一个可调激光测距探头1到测量物体表面测量点相对于系统的坐标（X、Y、Z）：

步骤S1：独立的一个可调激光测距探头1对应系统的坐标为（x、y、z）左右方向为X轴，前后方向为Y轴，上下方向为Z轴；

步骤S2：可调激光测距探头1对准测量物体表面测量点，检测到距离为L；

步骤S3：可调激光测距探头1完成对准采集后，获得测距探头左右方向与竖直方向的夹角α，前后方向与竖直方向的夹角β；

步骤S4：控制管理子系统根据已收到的距离数据L，左右及前后偏移角度α，β，得出测量物体表面测量点相对系统的坐标（X、Y、Z），

步骤S5：控制管理子系统控制角度控制子系统，调整调节电机改变测量对准位置；

步骤S6：控制管理子系统控制角度控制子系统，角度传感器采集改变后的测量位置夹角及此时刻可调激光测距探头1的距离信息；

步骤S7：控制管理子系统通过采集、计算、记录、整理多次测量数据，显示测量物表面不同测量点的空间位置信息，得出模拟对象结果。

综上所述，本发明在具体应用时，以从顶部测量沙堆体积为例：将本发明的可调激光测距探头1组成的探头矩阵，竖直向下对准需测量沙堆。每个可调激光测距探头1测量距离沙堆距离，驱动装置调节结构激光测距探头朝向，角度传感器收集角度偏移数据。同步角度偏移数据和激光测距数据，模拟显示测量沙堆模型。控制管理子系统根据回传的角度与距离，得出测量沙堆体积。