扫描装置、工程车及扫描方法与流程

本发明涉及工程机械技术领域，具体而言，涉及一种扫描装置、工程车及扫描方法。

背景技术：

三维测量技术主要用于重构被测物表面三维特征，根据测量形式和手段，可分为接触式和非接触式测量。接触式测量系统的经典应用代表是三坐标测量机，该测量方式需要探头与被测物表面接触并在物体上移动，从而得到相对于坐标系的点云信息。其优势在于，精度高，测量范围广，不受外界光照影响，但由于需要接触物体表面，可能对被测量造成微小变形和划伤，测量速度较慢，点云密度低，测量过程需要人工干预。非接触式三维测量是利用光学三角测量原理，测量过程中无需人工参与，对被测物无任何影响，但目前无法应用于工程车的扫描定位中。

国内大量的高铁隧道和高速隧道需要开挖和维修，而传统的隧道三维扫描系统主要是采用激光扫描方式，激光扫描方式适合大断面、全范围的整体扫描，具有一定的局限性，且精度较低。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明第一方面提出了一种扫描装置。

本发明第二方面提出了一种工程车。

本发明第三方面提出了一种扫描方法。

本发明第一方面提出了一种扫描装置，用于工程车，包括：传感器部件，设置于工程车上，传感器部件包括激光器和相机，激光器可朝向标定板发射激光，相机可获取激光投射在标定板上的图像信息；全站仪，用于检测标定板与扫描装置的位姿关系；倾角仪，设置于扫描仪装置上，用于检测扫描装置与工程车的位姿关系；控制器，与传感器部件、全站仪及倾角仪相连接，控制器可根据激光投射在标定板的图像信息及全站仪的检测结果确定相机与扫描装置的位姿关系，进而根据相机与扫描装置的位姿关系及扫描装置与工程车的位姿关系，确定相机与工程车的位姿关系。具体地，全站仪与控制器之间为无线连接，用于实现信息的交互。

本发明提出一种应用于工程车的扫描装置，其中，传感器部件包括激光器和相机，标定板位于相机的视野范围内，激光器朝向标定板发射激光，相机获取激光投影在标定板的图像信息，控制器利用张正有标定法确定相机与标定板之间的位姿关系；通过全站仪检测标定板与扫描装置的位姿关系；在已知相机与标定板之间的位姿关系及标定板与扫描装置的位姿关系的情况下，控制器便可计算出相机与扫描装置的位姿关系。

扫描仪装置内置倾角仪，通过倾角仪检测扫描装置与工程车的位姿关系；在已知相机与扫描装置的位姿关系及扫描装置与工程车的位姿关系的情况下，控制器便可计算出相机与工程车的位姿关系，进而实现相机坐标系与工程车坐标系之间的转换。当相机获取到一个位置的坐标信息后，该坐标信息是以相机坐标系为基准的，控制器便可将其转换到工程车坐标系上，更便于观测扫描数据。本发明提出的扫描装置采用主动式转换方式，扫描精度更高，能够精准重建3d模型，自动化程度高，在扫描过程中无需人工干预，且相比较于享有激光扫描方式，制造成本更低。

具体地，本发明提出的扫描装置以标定板坐标系为中间媒介，通过激光器与相机的配合，利用张正有标定法确定相机坐标系与标定板坐标系之间的转换关系；利用全站仪获取标定板坐标系与扫描装置坐标系的转换关系；利用倾角仪获取扫描装置坐标系与工程车坐标系的坐标系关系，进而实现相机坐标系与工程车坐标系的转换。具体地，相机坐标系指的是以相机为第一视角建立的坐标系，扫描装置坐标系指的是以监测装置整体为第一视角建立的坐标系，工程车坐标系值得是以工程车为第一视角建立的坐标系。

根据本发明上述的扫描装置，还可以具有以下附加技术特征：

在上述技术方案中，优选地，传感器部件还包括：双轴驱动部件，激光器及相机位于双轴驱动部件上，激光器及相机可在双轴驱动部件的驱动下在工程车同步转动。

在该技术方案中，传感器部件还包括双轴驱动部件，其中，激光器及相机通过双轴驱动部件安装于工程车上。在激光器与相机配合使用的过程中，确定好相机与激光器的相对位置后，将激光器与相机安装于双轴驱动部件上。当获取到一个位置激光器投影在标定板上的图像信息及标定板自身的图像信息后，通过双轴驱动部件驱动激光器与相机在工程车上同步转动，进而获取下一个位置标定板上的图像信息及标定板自身的图像信息，不断重复上述旋转及拍摄步骤直至激光器与相机转动180°。当激光器与相机转动180°后，即可获得所需光平面方程标定的特征点。

在上述任一技术方案中，优选地，双轴驱动部件包括：俯仰轴，设置于工程车上，传感器部件可在俯仰轴的驱动下沿竖直方向转动；横摆轴，设置于工程车上，传感器部件可在横摆的驱动下沿水平方向转动。

在该技术方案中，双轴驱动部件包括相互配合使用的俯仰轴和横摆轴，其中，俯仰轴用于驱动传感器部件沿竖直方向转动，横摆轴用于驱动传感器部件沿水平方向转动，俯仰轴和横摆轴配合使用，仪保证空间内全方位的扫描检测。具体地，俯仰轴在竖直方向180°旋转，横摆轴在水平方向360°旋转。

在上述任一技术方案中，优选地，还包括：至少两个安装部件，可转动地设置于双轴驱动部件上，激光器及相机分别设置于至少两个安装部件上，激光器及相机可分别在至少两个安装部件的驱动下转动。

在该技术方案中，双轴驱动部件上设置有至少两个安装部件，安装部件的数量与激光器及相机的数量相等，用于分别安装相机和激光器。在安装相机与激光器时，分别将相机与激光器安装于不同的安装部件上，而每一个安装部件均可转动，因此可调整相互配合的相机和激光器的相对位置，以提升扫描装置的适应性。

在上述任一技术方案中，优选地，传感器部件还包括：壳体，设置于工程车上，激光器与相机位于壳体内；镜头，设置于壳体内，与相机相连接。

在该技术方案中，传感器部件还包括壳体及与相机相连接的镜头，其中，激光器、相机、镜头及倾角仪集成设置于壳体内，采用模块化设计以提升传感器部件的集成度。具体地，相机为ccd(chargecoupleddevice电荷耦合器件)工业相机，镜头为定焦镜头，壳体为3d(3dimensions三维)传感器外壳，ccd工业相机、定焦镜头、壳体为3d传感器外壳共同组成壳体为3d传感器(即传感器部件)。

在上述任一技术方案中，优选地，传感器部件还包括:透光层，设置于壳体上，激光器及相机朝向透光层设置。

在该技术方案中，壳体上设置有透光层，且激光器及相机朝向透光层设置，保证激光可以准确地投射于标定板上，同时保证相机可以获取激光投射在标定板上的图像信息及标定板的图像信息。具体地，透光层为玻璃板。

本发明第二方面提出了一种工程车，包括本发明第二方面任一项的扫描装置。

本发明第二方面提出的工程车，因包括本发明第二方面任一项的扫描装置，因此具有上述扫描装置的全部有益效果，在此不再一一陈述。

本发明第三方面提出了一种扫描方法，包括：根据激光投射在标定板的图像信息确定相机与标定板的位姿关系；通过全站仪获取标定板与扫描装置的位姿关系；根据相机与标定板的位姿关系及标定板与扫描装置的位姿关系，确定相机与扫描装置的位姿关系；通过倾角仪确定扫描装置与工程车的位姿关系；根据相机与扫描装置的位姿关系及扫描装置与工程车的位姿关系确定相机与工程车的位姿关系。

本发明提出的扫描方法首先获取激光投射在标定板的图像信息，利用张正有标定法确定标定板与相机的位姿关系，以得到标定板坐标系与相机坐标系的转换关系；然后通过全站仪获取标定板与扫描装置的位姿关系，以得到标定板坐标系与扫描装置坐标系的转换关系，进而确定相机坐标系与扫描装置坐标系的转换关系。通过倾角仪确定扫描装置与工程车的位姿关系，以得到扫描装置坐标系与工程车坐标系的转换关系。在已经确定相机坐标系与扫描装置坐标系的转换关系及扫描装置坐标系与工程车坐标系的转换关系的情况下，便可确定相机坐标系与工程车坐标系的转换关系。当相机捕捉到某点的坐标时，便可根据上述转换关系将其转换到工程车坐标系中，更便于观测扫描数据。

本发明提出的扫描方法采用主动式转换方式，扫描精度更高，能够精准重建3d模型，自动化程度高，在扫描过程中无需人工干预，且相比较于享有激光扫描方式，制造成本更低。

根据本发明上述的扫描方法，还可以具有以下附加技术特征：

在上述技术方案中，优选地，根据激光投射在标定板图像信息确定相机与标定板的位姿关系，具体包括：在第一目标位置获取激光在标定板的图像信息；将扫描装置按预设角度朝向第一方向分别进行i次旋转，直至扫描装置共旋转180°，得到i个目标位置；在i个目标位置分别获取激光在标定板的图像信息；基于视觉算法，根据激光在标定板的图像信息确定相机与标定板的位姿关系。

在该技术方案中，在确定相机与标定板的位姿关系的过程中，首先将扫描装置设置于水平面，并调整双轴驱动部件，使得相机仪激光器处于合适的位置(即第一目标位置)，然后在扫描装置的正前方放置标定板，注意标定板与相机的直线距离即为实际工况中的测量距离，即扫描装置的扫描距离。在相机与激光器找到标定板后，打开激光器使得激光器在标定板上投影图像信息，此时利用相机拍摄标定板上有激光的图像信息，然后关闭激光器拍摄只有标定板的图像，如此获取第一目标位置的两个图像信息。再次打开激光器并通过双轴驱动部件驱动扫描装置转动一定角度，尽量是激光条条纹与第二目标位置激光条文首尾相连，并移动标定板使得标定板同样处于相机正前方，注意标定板相对相机的直线距离应与上一次小幅度变化，并重复上述拍摄过程。如此旋转i次，直至一共旋转了180°，此时即可获得所需光平面方程标定的特征点。而后基于视觉算法便可计算出相机与标定板的位姿关系。

在上述任一技术方案中，通过倾角仪确定扫描装置与工程车的位姿关系，具体包括：获取扫描装置与工程车的角度关系；获取扫描装置与工程车的位移关系；根据扫描装置与工程车的角度关系及位移关系确定扫描装置与工程车的位姿关系。

在该技术方案中，在工程车作业的实际工程过程中，地面不一定是水平面，工程车基准面也不一定是水平面，那么此时需要标定工程车与扫描装置之间的位姿关系。在工程车停稳后，调平工程车位置使得工程车基准面与大地水平面平行，用全站仪设定工程车坐标系，利用倾角仪获取扫描装置与工程车的角度关系，转换后即可得到扫描装置坐标系与工程车坐标系的角度信息；利用全站仪测量扫描装置与工程车的直线距离，集合得到扫描装置坐标系与工程车坐标系的转换矩阵。如此，即可得到扫描装置与工程车的位姿关系，也就可以将某一点的坐标从扫描装置坐标系中转换到工程车坐标系，更加便于观测扫描数据。同理，可将该点的坐标转换到任何坐标系中，实现坐标的重建标准化。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的扫描装置的主视图；

图2为图1所示实施例的扫描装置的后视图；

图3为图2所示实施例的扫描装置的左视图；

图4为图1所示实施例的扫描装置的右视图；

图5为图4所示实施例的扫描装置的俯视图；

图6为图1所示实施例的扫描装置的仰视图；

图7是本发明一个实施例的扫描方法的流程图；

图8是本发明另一个实施例的扫描方法的流程图。

其中，图1至图6中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

100扫描装置，102激光器，104相机，106双轴驱动部件，108安装孔。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1至图8来描述根据本发明一些实施例提供的扫描装置100、工程车及扫描方法。

本发明第一方面提出了一种扫描装置100，用于工程车，如图1至图6所示，包括：传感器部件，设置于工程车上，传感器部件包括激光器102和相机104，激光器102可朝向标定板发射激光，相机104可获取激光投射在标定板上的图像信息；全站仪(图中未示出)，用于检测标定板与扫描装置100的位姿关系；倾角仪(图中未示出)，设置于扫描装置100上，用于检测扫描装置100与工程车的位姿关系；控制器(图中未示出)，与传感器部件、全站仪及倾角仪相连接，控制器可根据激光投射在标定板的图像信息及全站仪的检测结果确定相机104与扫描装置100的位姿关系，进而根据相机104与扫描装置100的位姿关系及扫描装置100与工程车的位姿关系，确定相机104与工程车的位姿关系。具体地，全站仪与控制器之间为无线连接，用于实现信息的交互。

本发明提出一种应用于工程车的扫描装置100，其中，传感器部件包括激光器102和相机104，标定板位于相机104的视野范围内，激光器102朝向标定板发射激光，相机104获取激光投影在标定板的图像信息，控制器利用张正有标定法确定相机104与标定板之间的位姿关系；通过全站仪检测标定板与扫描装置100的位姿关系；在已知相机104与标定板之间的位姿关系及标定板与扫描装置100的位姿关系的情况下，控制器便可计算出相机104与扫描装置100的位姿关系。

扫描装置100内置倾角仪，通过倾角仪检测扫描装置100与工程车的位姿关系；在已知相机104与扫描装置100的位姿关系及扫描装置100与工程车的位姿关系的情况下，控制器便可计算出相机104与工程车的位姿关系，进而实现相机坐标系与工程车坐标系之间的转换。当相机104获取到一个位置的坐标信息后，该坐标信息是以相机坐标系为基准的，控制器便可将其转换到工程车坐标系上，更便于观测扫描数据。本发明提出的扫描装置100采用主动式转换方式，扫描精度更高，能够精准重建3d模型，自动化程度高，在扫描过程中无需人工干预，且相比较于享有激光扫描方式，制造成本更低。

具体地，本发明提出的扫描装置100以标定板坐标系为中间媒介，通过激光器102与相机104的配合，利用张正有标定法确定相机坐标系与标定板坐标系之间的转换关系；利用全站仪获取标定板坐标系与扫描装置坐标系的转换关系；利用倾角仪获取扫描装置坐标系与工程车坐标系的坐标系关系，进而实现相机坐标系与工程车坐标系的转换。具体地，相机坐标系指的是以相机104为第一视角建立的坐标系，扫描装置坐标系指的是以监测装置整体为第一视角建立的坐标系，工程车坐标系值得是以工程车为第一视角建立的坐标系。

在本发明的一个实施例中，优选地，如图1至图6所示，传感器部件还包括：双轴驱动部件106，激光器102及相机104位于双轴驱动部件106上，激光器102及相机104可在双轴驱动部件106的驱动下在工程车同步转动。

在该实施例中，传感器部件还包括双轴驱动部件106，其中，激光器102及相机104通过双轴驱动部件106安装于工程车上。在激光器102与相机104配合使用的过程中，确定好相机104与激光器102的相对位置后，将激光器102与相机104安装于双轴驱动部件106上。当获取到一个位置激光器102投影在标定板上的图像信息及标定板自身的图像信息后，通过双轴驱动部件106驱动激光器102与相机104在工程车上同步转动，进而获取下一个位置标定板上的图像信息及标定板自身的图像信息，不断重复上述旋转及拍摄步骤直至激光器102与相机104转动180°。当激光器102与相机104转动180°后，即可获得所需光平面方程标定的特征点。

在本发明的一个实施例中，优选地，双轴驱动部件106包括：俯仰轴(图中未示出)，设置于工程车上，传感器部件可在俯仰轴的驱动下沿竖直方向转动；横摆轴(图中未示出)，设置于工程车上，传感器部件可在横摆轴的驱动下沿水平方向转动。

在该实施例中，双轴驱动部件106包括相互配合使用的俯仰轴和横摆轴，其中，俯仰轴用于驱动传感器部件沿竖直方向转动，横摆轴用于驱动传感器部件沿水平方向转动，俯仰轴和横摆轴配合使用，仪保证空间内全方位的扫描检测。具体地，俯仰轴在竖直方向180°旋转，横摆轴在水平方向360°旋转。

在本发明的一个实施例中，优选地，还包括：两个安装部件(图中未示出)，可转动地设置于双轴驱动部件106上，激光器102及相机104分别设置于两个安装部件上，激光器102及相机104可分别在两个安装部件的驱动下转动。

在该实施例中，双轴驱动部件106上设置有两个安装部件，安装部件的数量与激光器102及相机104的数量相等，用于分别安装相机104和激光器102。在安装相机104与激光器102时，分别将相机104与激光器102安装于不同的安装部件上，而每一个安装部件均可转动，因此可调整相互配合的相机104和激光器102的相对位置，以提升扫描装置100的适应性。

在本发明的一个实施例中，优选地，传感器部件还包括：壳体(图中未示出)，设置于工程车上，激光器102与相机104位于壳体内；镜头(图中未示出)，设置于壳体内，与相机104相连接。

在该实施例中，传感器部件还包括壳体及与相机104相连接的镜头，其中，激光器102、相机104、镜头及倾角仪集成设置于壳体内，采用模块化设计以提升传感器部件的集成度。

在本发明的一个实施例中，优选地，传感器部件还包括:透光层，设置于壳体上，激光器102及相机104朝向透光层设置。

在该实施例中，壳体上设置有透光层，且激光器102及相机104朝向透光层设置，保证激光可以准确地投射于标定板上，同时保证相机104可以获取激光投射在标定板上的图像信息及标定板的图像信息。具体地，透光层为玻璃板。

本发明采用机器视觉方法，采用三角测量原理，制作一套两轴机械臂结构，利用俯仰轴和横摆轴组成双轴驱动部件106，ccd工业相机、激光器102、定焦镜头、3d传感器外壳组成3d传感器，采用标定板坐标系作为中间坐标系，确定相机坐标系与扫描装置坐标系转换关系；采用倾角仪测量扫描装置坐标系与工程车坐标系的角度关系。最后扫描装置100采用安装部件的方式集成3d传感器、双轴驱动部件106和倾角仪安装于工程车上。利用上述方法，将相机104获取到的隧道轮廓3d点云信息重建于工程车坐标系，从而更适用于工程车控制系统判断作业情况，同理可将工业相机获取到的隧道轮廓3d点云信息重建于任何其他坐标系下，更利于实现点云信息重建标准化。

具体实施例中，本发明提出的基于线结构光的车载式三维扫描装置，如图1至图6所示，该扫描装置100包括一字型激光器、工业相机、双轴倾角传感器及双轴驱动部件106。双轴驱动部件106可以横摆360°、俯仰180°旋转，每次旋转一个方向，实际工况不需要横摆和俯仰360°作业，为适应实际工况和保护扫描装置100，横摆限位正负90°，俯仰限位正负90°。双轴驱动部件106上安装两个可手动旋转的安装部件，安装部件内部分别安装有相机104和激光器102，壳体一面是透明玻璃，工业相机和激光在壳体中透过玻璃进行图像采集作业，调整好相机安装部件和激光器102安装部件的角度后，固定两安装部件在双轴驱动部件106上，相机和激光器102安装于双轴驱动部件106内部，可以在工程车作业环境下保护相机和激光器102。最后将扫描装置100固定安装在作业工程车预留的安装面。

为使用本扫描装置100，需要确定相机坐标系和扫描装置坐标系、工程车坐标系的位姿关系。将标定板坐标系作为求取相机坐标系和扫描装置坐标系转换关系的中间坐标系，标定板放置于相机104视野范围内，然后把标定板正面对准相机104，利用张正有标定法确定标定板坐标系与相机坐标系的位姿关系，再用全站仪确定标定板坐标系到扫描装置坐标系的关系，这样就可将相机104获取的点云数据转换至扫描装置坐标系。

工程车作业的实际工程过程中，地面不一定是水平面，工程车基准面也不一定是水平面，那么此时需要标定工程车坐标系与扫描装置坐标系之间的关系。确定工程车坐标系，设置倾角仪，进而确定扫描装置100与工程车坐标系之间的角度关系。扫描装置100内部安装有倾角仪，用于扫描装置100与工程车基准面之间的角度关系。工程车坐标系的原点设置在工程车基准面之上，利用全站仪检测工程车坐标系到扫描装置坐标系之间的位移关系，然后结合倾角仪读取到的角度关系计算扫描装置坐标系到工程车坐标系直接的位姿转换关系，利用此关系可将扫描装置坐标系中的点云数据转换至工程车坐标系。

具体地，工程车坐标系与扫描装置坐标系的转换关系式如下:

其中，[xyz]^t是某点在工程车坐标系下的坐标；

[xyz]^t是该点在扫描装置坐标系的坐标；

[δxδyδz]^t表示工程车坐标系和扫描装置坐标系原点间的矢量关系；

rx、ry、rz是扫描装置坐标系变换到工程车坐标系的分别沿x、y、z轴的旋转变换矩阵；

α、β、γ表示扫描装置坐标系绕工程车坐标系的旋转角度。

α、β角度可由倾角仪确定，γ及δx、δy、δz通过计算求得，从而最终得到工程车坐标系与扫描装置坐标系的转换关系。

本发明提出的扫描装置100具体使用方法：隧道施工环境光线条件较差，不宜在施工作业环境下标定扫描装置100的光平面方程、扫描装置坐标系与相机坐标系关系。首先标定横摆方向的光平面方程，将扫描装置100放置于水平桌面，调整相机的双轴驱动部件106，使该相机双轴驱动部件106朝向正前方，在扫描装置100正前方放置标定板，注意标定板与相机的直线距离即为实际工况中的测量距离，即扫描装置100标准工作距离。自动找到标定板之后，打开激光器102，拍摄一张标定板上有激光光条的图像，再关掉激光器102，拍摄一张只有标定板的图像，如此获得一个位置的两张图像。再打开机激光器102，扫描装置100旋转一定角度，尽量使激光条纹与上一位置激光条纹首尾相连，移动标定板，同样使标定板在相机视野正前方，注意标定板相对相机的直线距离应与上一次小幅度变化，重复上述拍摄动作，保存两张图像。如此旋转180°，即可获得所需光平面方程标定的特征点。同理可标定俯仰方向的光平面方程。

将标定板置于相机视野范围内固定不动，且能清晰成像，此时标定板坐标系以标定板平面为xoy面，且符合右手坐标系，原点在标定板特征点，z轴与水平面平行。通过视觉算法可求解相机坐标系与标定板坐标系的转换关系。在扫描装置100两侧安装孔108的位置安装棱镜，将扫描装置100垂直安装，并旋转至零位，此时横摆轴与水平面垂直，俯仰轴与水平面平行，利用全站仪设定扫描装置坐标系，进一步求出扫描装置坐标系与标定板坐标系之间的转换关系。如此，可将点云数据从相机坐标系转换至扫描装置坐标系。

将本发明装置的双轴驱动部件106安装于工程车固定位置，工程车在工作位停稳后，调平工程车，使工程车基准面与大地水平面平行，用全站仪设定工程车坐标系，工程车坐标系xoy平面与基准面的角度信息，可由倾角传感器读出。通过倾角仪获得扫描装置100与工程车坐标系的角度信息，转换后即可获取扫描装置100与工程车坐标系的角度信息，再利用全站仪测量扫描装置坐标系与工程车坐标系原点直线距离，即可获得扫描装置坐标系与工程车坐标系的转换矩阵。如此，可将点云数据从扫描装置坐标系转换到工程车坐标系，更便于观测扫描数据。同理，可将点云数据转换至任何坐标系，实现点云重建标准化。

扫描作业时需注意，扫描装置100的工作距离应尽量与标准工作距离接近，越接近标准工作距离，扫描精度越高。当需要横摆扫描和俯仰扫描都作业时，点云数据需要进行预处理，在扫描系统中去除重复点云。

本发明提出的扫描装采用一字型线结构光扫描原理结合工程车定位方法，实现扫描装置100横摆和俯仰扫描，并将扫描点云数据重建于工程车坐标系下，获取其他任何基准坐标系。具有扫描精度高，能精确重建3d模型、自动化程度高，扫描过程无需人工干预的优点，同时相比于激光扫描方式制造成本更低，有利于施工使用。

本发明第二方面提出了一种工程车，包括本发明第二方面任一项的扫描装置100。

本发明第二方面提出的工程车，因包括本发明第二方面任一项的扫描装置100，因此具有上述扫描装置100的全部有益效果，在此不再一一陈述。具体地，该工程车为台车。

图7示出了本发明一个实施例的扫描方法的流程图，如图7所示，包括：

s202，根据激光投射在标定板的图像信息确定相机与标定板的位姿关系；

s204，通过全站仪获取标定板与扫描装置的位姿关系；

s206，根据相机与标定板的位姿关系及标定板与扫描装置的位姿关系，确定相机与扫描装置的位姿关系；

s208，通过倾角仪确定扫描装置与工程车的位姿关系；

s210，根据相机与扫描装置的位姿关系及扫描装置与工程车的位姿关系确定相机与工程车的位姿关系。

本发明提出的扫描方法首先获取激光投射在标定板的图像信息，利用张正有标定法确定标定板与相机的位姿关系，以得到标定板坐标系与相机坐标系的转换关系；然后通过全站仪获取标定板与扫描装置的位姿关系，以得到标定板坐标系与扫描装置坐标系的转换关系，进而确定相机坐标系与扫描装置坐标系的转换关系。通过倾角仪确定扫描装置与工程车的位姿关系，以得到扫描装置坐标系与工程车坐标系的转换关系。在已经确定相机坐标系与扫描装置坐标系的转换关系及扫描装置坐标系与工程车坐标系的转换关系的情况下，便可确定相机坐标系与工程车坐标系的转换关系。当相机捕捉到某点的坐标时，便可根据上述转换关系将其转换到工程车坐标系中，更便于观测扫描数据。

本发明提出的扫描方法采用主动式转换方式，扫描精度更高，能够精准重建3d模型，自动化程度高，在扫描过程中无需人工干预，且相比较于享有激光扫描方式，制造成本更低。

在本发明的一个实施例中，优选地，根据激光投射在标定板图像信息确定相机与标定板的位姿关系，具体包括：在第一目标位置获取激光在标定板的图像信息；将扫描装置按预设角度朝向第一方向分别进行i次旋转，直至扫描装置共旋转180°，得到i个目标位置；在i个目标位置分别获取激光在标定板的图像信息；基于视觉算法，根据激光在标定板的图像信息确定相机与标定板的位姿关系。

在该实施例中，在确定相机与标定板的位姿关系的过程中，首先将扫描装置设置于水平面，并调整双轴驱动部件，使得相机仪激光器处于合适的位置(即第一目标位置)，然后在扫描装置的正前方放置标定板，注意标定板与相机的直线距离即为实际工况中的测量距离，即扫描装置的扫描距离。在相机与激光器找到标定板后，打开激光器使得激光器在标定板上投影图像信息，此时利用相机拍摄标定板上有激光的图像信息，然后关闭激光器拍摄只有标定板的图像，如此获取第一目标位置的两个图像信息。再次打开激光器并通过双轴驱动部件驱动扫描装置转动一定角度，尽量是激光条条纹与第二目标位置激光条文首尾相连，并移动标定板使得标定板同样处于相机正前方，注意标定板相对相机的直线距离应与上一次小幅度变化，并重复上述拍摄过程。如此旋转i次，直至一共旋转了180°，此时即可获得所需光平面方程标定的特征点。而后基于视觉算法便可计算出相机与标定板的位姿关系。

在本发明的一个实施例中，优选地，通过倾角仪确定扫描装置与工程车的位姿关系，具体包括：获取扫描装置与工程车的角度关系；获取扫描装置与工程车的位移关系；根据扫描装置与工程车的角度关系及位移关系确定扫描装置与工程车的位姿关系。

在该实施例中，在工程车作业的实际工程过程中，地面不一定是水平面，工程车基准面也不一定是水平面，那么此时需要标定工程车与扫描装置之间的位姿关系。在工程车停稳后，调平工程车位置使得工程车基准面与大地水平面平行，用全站仪设定工程车坐标系，利用倾角仪获取扫描装置与工程车的角度关系，转换后即可得到扫描装置坐标系与工程车坐标系的角度信息；利用全站仪测量扫描装置与工程车的直线距离，集合得到扫描装置坐标系与工程车坐标系的转换矩阵。如此，即可得到扫描装置与工程车的位姿关系，也就可以将某一点的坐标从扫描装置坐标系中转换到工程车坐标系，更加便于观测扫描数据。同理，可将该点的坐标转换到任何坐标系中，实现坐标的重建标准化。

图8示出了本发明另一个实施例的扫描方法的流程图，如图8所示，包括：

s302，在第一目标位置获取激光在标定板的图像信息；

s304，将扫描装置按预设角度朝向第一方向分别进行i次旋转，直至扫描装置共旋转180°，得到i个目标位置；

s306，在i个目标位置分别获取激光在标定板的图像信息；基于视觉算法，根据激光在标定板的图像信息确定相机与标定板的位姿关系；

s308，通过全站仪获取标定板与扫描装置的位姿关系；

s310，根据相机与标定板的位姿关系及标定板与扫描装置的位姿关系，确定相机与扫描装置的位姿关系；

s312，获取扫描装置与工程车的角度关系；

s314，获取扫描装置与工程车的位移关系；

s316，根据扫描装置与工程车的角度关系及位移关系确定扫描装置与工程车的位姿关系。

在该实施例中，首先将扫描装置设置于水平面，并调整双轴驱动部件，使得相机仪激光器处于合适的位置(即第一目标位置)，然后在扫描装置的正前方放置标定板，注意标定板与相机的直线距离即为实际工况中的测量距离，即扫描装置的扫描距离。在相机与激光器找到标定板后，打开激光器使得激光器在标定板上投影图像信息，此时利用相机拍摄标定板上有激光的图像信息，然后关闭激光器拍摄只有标定板的图像，如此获取第一目标位置的两个图像信息。再次打开激光器并通过双轴驱动部件驱动扫描装置转动一定角度，尽量是激光条条纹与第二目标位置激光条文首尾相连，并移动标定板使得标定板同样处于相机正前方，注意标定板相对相机的直线距离应与上一次小幅度变化，并重复上述拍摄过程。如此旋转i次，直至一共旋转了180°，此时即可获得所需光平面方程标定的特征点。而后基于视觉算法便可计算出相机与标定板的位姿关系。

进一步地，然后通过全站仪获取标定板与扫描装置的位姿关系，以得到标定板坐标系与扫描装置坐标系的转换关系，进而确定相机坐标系与扫描装置坐标系的转换关系。

更进一步地，在工程车作业的实际工程过程中，地面不一定是水平面，工程车基准面也不一定是水平面，那么此时需要标定工程车与扫描装置之间的位姿关系。在工程车停稳后，调平工程车位置使得工程车基准面与大地水平面平行，用全站仪设定工程车坐标系，利用倾角仪获取扫描装置与工程车的角度关系，转换后即可得到扫描装置坐标系与工程车坐标系的角度信息；利用全站仪测量扫描装置与工程车的直线距离，集合得到扫描装置坐标系与工程车坐标系的转换矩阵。如此，即可得到扫描装置与工程车的位姿关系。

在已经确定相机坐标系与扫描装置坐标系的转换关系及扫描装置坐标系与工程车坐标系的转换关系的情况下，便可确定相机坐标系与工程车坐标系的转换关系。当相机捕捉到某点的坐标时，便可根据上述转换关系将其转换到工程车坐标系中，更便于观测扫描数据。

在本发明的描述中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上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。