三维激光扫描仪以及三维信息的获取方法与流程

本发明涉及扫描设备技术领域，特别是涉及一种三维激光扫描仪以及一种三维信息的获取方法。

背景技术：

在传统的室内装修中，各种工艺一般靠人工实现。在某些装修工艺如墙面腻子打磨，如果靠人工来完成就会出现施工质量参差不齐的现象，因此通过机器人的实现将会是必然的趋势。在装修机器人的自动墙面打磨中，有一项关键技术就是机器人的定位。所谓机器人的定位就是某个时刻机器人在屋子的什么位置，相对于墙面的什么位置。机器人的定位需要定位传感器，使装修机器人获得室内定位的信息。有关机器人室内定位的技术方案有：超声波定位系统、红外线定位系统、无线网定位系统等。

但是，上述定位系统的定位方式精度较低，且均不能进行三维重建，即无法获得墙面的轮廓信息以及墙面上明显特征物的三维信息。目前还有一款可用作室内定位的传感器kinect，它也可以对室内轮廓进行三维重建，但是其测量精度比较低。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的定位方式精度较低的问题，提供一种能够用于机器人定位的，精度较高的三维激光扫描仪，同时还提供了一种三维信息的获取方法。

上述目的通过以下技术方案实现：

一种三维激光扫描仪，包括支架、工业相机、线性激光器和动力源，工业相机和线性激光器均设置在支架上；动力源与支架传动连接，用于带动工业相机和线性激光器在水平和\或竖直方向上做同步旋转运动；

线性激光器用于向待测目标表面发射激光，工业相机用于获取从待测目标表面反射的激光。

在其中一个实施例中，工业相机与线性激光器间隔设置，工业相机的光轴与工业相机、线性激光器在竖直方向上的旋转轴垂直；线性激光器的发射平面与工业相机的光轴的夹角范围为8.64°～32.94°。

在其中一个实施例中，支架包括水平云台和俯仰转台，俯仰转台设置在水平云台上，水平云台能够带动俯仰转台在水平方向上水平转动；

工业相机和线性激光器均设置在俯仰转台上；俯仰转台能够带动工业相机和线性激光器在竖直方向上俯仰转动。

在其中一个实施例中，支架还包括支架板；俯仰转台设置在支架板上，且能够相对于支架板在竖直方向上俯仰转动；

水平云台通过连接杆连接支架板，水平云台自身能够水平转动以带动支架板水平转动；

或者，连接杆能够相对于水平云台水平转动以带动支架板水平转动。

在其中一个实施例中，俯仰转台包括俯仰转动板和两个支撑轴，工业相机和线性激光器均设置在俯仰转动板上；两个支撑轴分别设置在俯仰转动板的两端；

支架板上设置有两个轴承座；俯仰转动板通过两个支撑轴分别与两个轴承座转动连接而转动连接在支架板上。

在其中一个实施例中，动力源包括第一动力源和第二动力源，第一动力源设置在水平云台上，用于带动支架板水平转动；

第二动力源设置在支架板上，用于带动俯仰转动板俯仰转动。

在其中一个实施例中，水平云台和俯仰转动板上均设置有水平仪气泡。

一种三维信息的获取方法，其使用如上任一项所述的三维激光扫描仪，该方法包括以下步骤：

驱动工业相机和线性激光器沿第一方向转动第一预设角度，然后驱动工业相机和线性激光器沿第二方向转动第二预设角度；

驱动工业相机和线性激光器沿第三方向转动第三预设角度，然后驱动工业相机和线性激光器沿第四方向转动第四预设角度。

在其中一个实施例中，在驱动工业相机和线性激光器沿第一方向转动第一预设角度的步骤之前，将工业相机和线性激光器调整为初始状态。

在其中一个实施例中，在驱动工业相机和线性激光器沿第三方向转动第三预设角度的步骤之前，将工业相机和线性激光器调整为初始状态。

上述三维激光扫描仪，采用线性激光器和工业相机结合的方式，通过线性激光器向待测目标表面投射激光，工业相机获取待测目标表面的激光图像，同时工业相机和线性激光器能够同步地在水平和竖直方向上转动，因此能够扫描到整个空间，最终处理得到整个空间的三维数据，精度高且操作简单，适用于室内空间扫描重构。

附图说明

图1为本发明实施例提供的三维激光扫描仪的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的三维激光扫描仪的原理图；

图3为本发明实施例提供的三维信息的获取方法的流程图。

其中：

100-支架；

110-水平云台；

120-俯仰转台；121-俯仰转动板；122-支撑轴；

130-支架板；131-轴承座；

140-连接杆；

150-水平仪气泡；

200-工业相机；

300-线性激光器；

400-第一动力源；

500-第二动力源。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的三维激光扫描仪以及三维信息的获取方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的。

本发明的三维激光扫描仪，能够对空间场景进行扫描，进而能够实现对整个空间场景的三维重建，为机器人的定位提供精准的定位的信息，其具有扫描精度高，成本低等优点。当然，该扫描仪也能适用于其他需要扫描、构建三维场景的应用中。

如图1所示，本发明一实施例提供的三维激光扫描仪，包括支架100、工业相机200、线性激光器300和动力源，工业相机200和线性激光器300均设置在支架100上；动力源与支架100传动连接，用于带动工业相机200和线性激光器300在水平和\或竖直方向上做同步旋转运动；

线性激光器300用于向待测目标表面发射激光，工业相机200用于获取从待测目标表面反射的激光。

其中，线性激光器300用于发出激光，优选地采用一字线性激光器，即可在待测目标表面上形成一字线形的光条，线宽约为0.4mm。线性激光器300的激光波长可以为635nm。工业相机200用于获取从待测目标表面反射的激光，其可以为分辨率3072×2048，帧率为30帧/秒的摄像机。为了降低环境干扰、获得更加准确的扫描结果，工业相机200上可根据线性激光器300发射激光的波长相应地设置滤镜，所述滤镜用于对进入工业相机200的光线进行过滤，以使与线性激光器300输出的激光波长一致的光线进入工业相机200中。本实施例中，该滤镜使工业相机200只接受特定波长为635nm的光谱。可以理解，若选择的线性激光器300发射其他波长的光线时，工业相机200相应的更换滤镜。

另外，可将工业相机200和线性激光器300间隔设置在支架100上，间隔距离可根据线性激光器300发射的光平面角度以及工业相机200的视角设置，以保证工业相机200的视角能够获取到线性激光器300所发出的射线平面在待测目标表面形成的图像，防止线性激光器300和工业相机200的安装方式导致从工业相机200的视野里面获取不到激光线，避免无法实现扫描功能。

例如，工业相机200能否获取到激光图像主要是由工业相机200的视角、安装方式，以及线性激光器300的安装方式决定的，且两者安装方式不同导致扫描仪测距的范围也不一样，实际应用时，可根据需要调整两者安装角度。当工业相机200镜头的朝向与线性激光器300发射的光平面相互平行时，即两者均与待测目标表面垂直，此时三维激光扫描仪的测距范围较大，大致为500mm～6000mm。工业相机200镜头的朝向与线性激光器300发射的光平面也可以相互垂直，此时三维激光扫描仪的测距范围大致为187mm～746mm。工业相机200镜头的朝向与线性激光器300发射的光平面也可以呈钝角设置，此时三维激光扫描仪的测距范围较小。

在使用三维激光扫描仪的时候，首先应将扫描仪支架100放在距待测目标表面预设的位置，调整支架100，然后使工业相机200和线性激光器300竖直向上转动一定角度，接着使工业相机200和线性激光器300水平转动，实现对待测目标表面上半部分的扫描；之后将工业相机200和线性激光器300竖直向下转动一定角度，同样地使工业相机200和线性激光器300水平转动，实现对待测目标表面下半部分的扫描，进而完成对整个待测目标表面的扫描，最后可通过计算机软件处理工业相机200拍摄的图像，获得整个待测目标表面的轮廓信息。具体应用中，例如应用于室内空间的扫描时，可使工业相机200和线性激光器300水平转动360°，完成整个室内空间轮廓的三维重建。

可以理解，在其他实施例中，扫描仪的使用方式还可以是先使工业相机200和线性激光器300水平向左转动一定角度，接着使工业相机200和线性激光器300竖直转动360°或其他角度，实现对待测目标表面左侧部分的扫描；之后将工业相机200和线性激光器300水平向右转动一定角度，同样地使工业相机200和线性激光器300竖直转动360°或其他角度，实现对待测目标表面右侧部分的扫描，这样也能够实现对整个待测目标表面的扫描。

作为一种可实施的方式，支架100包括水平云台110和俯仰转台120，俯仰转台120设置在水平云台110上，水平云台110能够带动俯仰转台120在水平方向上水平转动；工业相机200和线性激光器300均设置在俯仰转台120上；俯仰转台120能够带动工业相机200和线性激光器300在竖直方向上俯仰转动。

进一步地，三维激光扫描仪还包括支架板130；俯仰转台120设置在支架板130上，且能够相对于支架板130在竖直方向上俯仰转动；水平云台110通过连接杆140连接支架板130，水平云台110自身能够水平转动以带动支架板130水平转动。

在一个实施例中，连接杆140能够相对于水平云台110水平转动以带动支架板130水平转动。

其中，支架100还可包括有三脚架等支撑结构，用于支撑水平云台110及俯仰转台120等，三脚架等可以调节高度，以使扫描仪处于高度合适的扫描位置，三脚架等可以与水平云台110连接。

动力源可以包括第一动力源400和第二动力源500，第一动力源400用于驱动水平云台110或者连接杆140在水平方向上水平转动，以带动支架板130水平转动，使得设置在支架板130上的俯仰转台120在水平方向上水平转动，第二动力源500用于驱动俯仰转台120在在竖直方向上俯仰转动。第一动力源400可以为步进电机或者电机配涡轮蜗杆减速器，步进电机可以为42系列步进电机，涡轮蜗杆减速器的减速比可以为1：90。支架板130的水平转动可以有多种实现方式，例如水平云台110自身可以转动，具体地，水平云台110可以包括底座和回转轴承，连接杆140的一端与回转轴承连接，另一端与支架板130连接。底座上安装电机和涡轮蜗杆减速器，电机输出轴与涡轮蜗杆减速器的蜗杆连接，涡轮蜗杆减速器的涡轮与回转轴承连接，电机运转带动蜗杆转动，使得涡轮能够带动回转轴承做水平回转运动，从而支架板130能够水平转动。

或者，水平云台110自身是不能转动的，使连接杆140能够相对于水平云台110水平转动以带动支架板130水平转动。具体地，水平云台110可以包括底座，底座中心处设置有轴孔，底座下方固定设置有步进电机，步进电机的输出轴穿过轴孔与连接杆140连接，步进电机运转带动连接杆140转动，进而带动支架板130水平转动。当然，支架板130的水平转动并不限于以上形式。

俯仰转台120的结构形式可以有多种，作为一种可实施的方式，俯仰转台120包括俯仰转动板121和两个支撑轴122，工业相机200和线性激光器300均设置在俯仰转动板121上；两个支撑轴122分别设置在俯仰转动板121的两端；

支架板130上设置有两个轴承座131；俯仰转动板121通过两个支撑轴122分别与两个轴承座131转动连接而转动连接在支架板130上。

第二动力源500可以采用步进电机，例如42系列步进电机，并配有行星减速器，其减速比为1：27。步进电机固定安装在支架板130上，其输出轴可通过联轴器与一个支撑轴122连接，步进电机运转直接带动俯仰转动板121相对于支架板130俯仰转动，这样，安装在俯仰转动板121上的工业相机200和线性激光器300既能够在水平方向上水平转动，又能够在竖直方向上俯仰转动，以实现对扫描空间的全方位扫描记录。通过采用42系列步进电机，并配有行星减速器不仅力矩大而且转动精度高。

上述运动均可通过控制器来实现，例如可以通过stm32微控制器实现对水平转动和俯仰转动的控制，而stm32通过串口连接pc，使得三维扫描仪能够通过在pc上设置程序步骤自动完成扫描，操作人员只需要将扫描仪放置于室内，在pc上分别设置好俯、仰角度即可启动扫描仪开始扫描。由线性激光器300向场景投射激光线，通过控制水平云台110水平转动360°获取到两组点云数据，将获取到的两组点云数据拼接到一起即可得到整个屋子的三维点云数据，进而完成室内三维环境的重构，通过软件对所得到的点云数据进行处理，可以得到墙面的阴阳角线，进而可以得出该房屋的轮廓。

工业相机200可以直接通过螺栓连接固定在俯仰转动板121上，也可以通过安装架固定安装在俯仰转动板121上，线性激光器300可以利用一个固定支架100固定安装在俯仰转动板121上。

在充分考虑提高精度的前提下，需要考虑三维激光扫描仪各组成结构的位置关系，首先需要确定工业相机200与线性激光器300之间间隔的距离，该距离可根据扫描仪装置的大小，以及扫描精度要求计算获得。工业相机200和线性激光器300可分别位于俯仰转动板121的靠近两端处，既保证了距离的要求，又保证了装置整体的设计合理性。

接下来，需要确定工业相机200与线性激光器300在支架100上的安装方式，也就是工业相机200与线性激光器300如何相对于俯仰转动板121安装。其中，工业相机200可以是沿俯仰转动板121的长度方向安装，或者沿俯仰转动板121的宽度方向安装，或者与俯仰转动板121的长度方向呈夹角地安装；同样地，线性激光器300也可以有上述三种安装方式。

作为一种可实施的方式，可将工业相机200沿着俯仰转动板121的宽度方向安装(即工业相机200的光轴与工业相机200、线性激光器300在竖直方向上的旋转轴垂直)，此时工业相机200的光轴(或者说相机镜头的朝向)与俯仰转动板121的长度方向垂直，而线性激光器300发射的光平面需保证能够到达待测目标表面上以形成光图像，且该光图像能够被工业相机200所获取。在其他实施例中，也可以使线性激光器300的发射平面沿着俯仰转动板121的宽度方向来安装线性激光器300，又或者，工业相机200的光轴、线性激光器300的发射平面均与俯仰转动板121的长度方向呈夹角设置，只要保证工业相机200能够获取待测目标表面反射的激光即可。

进一步地，当采用工业相机200沿着俯仰转动板121的宽度方向安装的方式时，工业相机与线性激光器间隔的距离可以大于或者等于144mm，例如可以为300mm，线性激光器300的发射平面与工业相机200的光轴的夹角范围可以为8.64°～32.94°，在这个范围内，扫描仪能够满足最大测距为6000mm的测距要求，且测量范围比较大，测量精度也较高。

在使用三维激光扫描仪的时候，首先应该调节水平云台110以及俯仰转动板121，使水平云台110和俯仰转动板121均保持水平。因此可以在水平云台110和俯仰转动板121上均设置水平仪气泡150，通过观察水平仪气泡150来判断是否调节为水平状态。当调节为水平状态时，将此状态的扫描仪中心作为以后生成的三维点云的基准，其中扫描仪中心的位置在俯仰转台120转轴与水平云台110转轴的交点处(旋转中心)，工业相机200和线性激光器300可以分别位于旋转中心的两侧。

本发明的三维激光扫描仪是根据透视投影原理的数学模型来进行设计的。首先求得相机坐标系下的光平面方程；然后标定相机坐标系与旋转中心坐标系之间的关系；最后通过透视投影原理的数学模型进行解算三维坐标。其数学模型原理图如图2所示。

具体解算方法如下：

设光平面与待测目标表面交线上的某点在旋转中心坐标系下的坐标为(x,y,z)；

光平面在旋转中心坐标系下的平面方程为：ax+by+cz+d＝0

旋转中心坐标系到相机坐标系的旋转矩阵为：

旋转中心坐标系到相机坐标系的平移向量为：

则有，相机坐标系(xc,yc,zc)与旋转中心坐标系(x,y,z)的转换关系：

图像坐标系(x,y)与相机坐标系(xc,yc,zc)的转换关系：

由公式(2)可得：

由公式(1)和(3)可得：

像素坐标系(u,v)与图像坐标系(x,y)之间的转换关系：

由公式(4)和(5)可得：

上式中fx＝x/dx；fy＝y/dy

联立方程组：

ax+by+cz+d＝0

四个方程解四个未知数，求得x，y，z，zc。

如图3所示，本发明一实施例还提供了一种三维信息的获取方法，其使用的是上述任一实施例所述的三维激光扫描仪。该方法具体包括以下步骤：

s200：驱动工业相机和线性激光器沿第一方向转动第一预设角度，然后驱动工业相机和线性激光器沿第二方向转动第二预设角度。在本实施例中，第一方向可以是竖直向上，第二方向可以是水平方向，这样，能够实现对待测目标表面上半部分的扫描。

s400：驱动工业相机和线性激光器沿第三方向转动第三预设角度，然后驱动工业相机和线性激光器沿第四方向转动第四预设角度。在本实施例中，第三方向可以是竖直向下，第四方向可以是水平方向，这样，能够实现对待测目标表面下半部分的扫描。

进一步地，在s200的步骤之前，还包括步骤s100：将工业相机和线性激光器调整为初始状态。初始状态指的是工业相机和线性激光器均处于在完全水平的状态，并将此状态作为三维点云的基准状态，以后所得到的点云将转换到此状态时的旋转中心坐标系下。

进一步地，在s400的步骤之前，还包括步骤s300：将工业相机和线性激光器调整为上述初始状态。在其他实施例中，也可省略这一步，即无需再次将工业相机和线性激光器调整为上述初始状态，只需在s200的步骤之后，直接驱动工业相机和线性激光器沿第三方向转动第三预设角度，然后驱动工业相机和线性激光器沿第四方向转动第四预设角度。例如，驱动工业相机和线性激光器竖直向上转动30°，然后驱动工业相机和线性激光器水平转动360°，完成对上半部分的扫描后，直接驱动工业相机和线性激光器竖直向下转动60°，接着驱动工业相机和线性激光器水平转动360°，完成对下半部分的扫描。

在本实施例中，第一预设角度等于第三预设角度，第二预设角度等于第四预设角度，这样，能够实现对待测目标表面的无差漏扫描。以第一方向为竖直向上，第二方向为水平方向，第三方向为竖直向下，第四方向为水平方向为例，假设线性激光器发射的光平面在发射点处的夹角为60°，理论上，当线性激光器处于水平状态时，光平面的上边沿与水平面的夹角为30°，光平面的下边沿与水平面的夹角也为30°。当然，在实际操作时，很难保证激光平面在初始状态时严格竖直，因此，光平面上、下边沿与水平面的夹角不一定为30°，但是，也需尽量保证激光平面接近竖直，将误差控制在较小范围内。

将工业相机和线性激光器调整为水平初始状态后，驱动工业相机和线性激光器沿竖直方向向上转动第一预设角度，假设为30°，那么线性激光器的光平面的下边沿正处于水平面上，然后驱动工业相机和线性激光器沿水平方向转动第二预设角度，假设为360°，此时可扫描到待测目标水平向上60°角范围内的周向空间。接着，将工业相机和线性激光器再次调整到上述水平初始状态(或者，也无需再次调整为水平初始状态)，此时线性激光器的光平面的上边沿与水平面的夹角为30°，光平面的下边沿与水平面的夹角也为30°。驱动工业相机和线性激光器沿竖直方向向下转动第三预设角度，假设为30°，那么线性激光器的光平面的上边沿正处于水平面上，然后驱动工业相机和线性激光器沿水平方向转动第四预设角度，假设为360°，此时可扫描到待测目标水平向下60°角范围内的周向空间。这样，就能够得到完整的待测目标空间的扫描数据，不会出现中间有间隔没有扫描到的现象。

可以理解，上述“上”“下”为相对于工业相机及线性激光器所在的水平面而言的相对概念；另外，三维扫描仪还可用于根据需要对任意方向的待测目标进行扫描，获得待测目标的三维信息。

本发明提供的三维激光扫描仪及三维信息获取方法，具有操作简便、自动化程度高、精度高且成本低的优点，其采用线性激光器和工业相机结合的方式，使用时，操作人员只需要将其放置于室内，分别设置好俯、仰角度即可启动扫描仪进行扫描，通过软件处理获得三维点云数据，进而对室内三维环境进行重构，通过点云处理可以获得墙面的阴阳角线，即得到房屋的轮廓信息，以为机器人提供房屋定位信息。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。