一种场景扫描仪的制作方法

本实用新型涉及计算机视觉领域，特别是一种场景扫描仪。

背景技术：

目前的场景扫描仪采用3D传感器进行扫描。3D传感器可让硬件设备拥有一双感知环境的“智慧之眼”，可实现人脸识别、手势识别、人体骨架识别、三维测量、环境感知、三维地图重建等数十项功能，在人工智能、手机、电视、机器人、VR/AR、智能家居、智能安防、汽车驾驶辅助等多领域广泛应用。

由于目前3D传感器感知区域和可视角度有限，要实现传感器全景和深度扫描，现在主流的实现方式是3个传感器模块按照40～45度的固定角度分布，形成一个辐射夹角为80～90度的模组。然后水平旋转360度来实现全景和深度扫描。这样的实现方式需要3个传感器模块，成本高，设备笨重。

申请号为201720899340.1的实用新型专利在水平旋转360度的自由度基础上，增加一个垂直方向旋转的自由度，仅利用1个传感器模块的旋转来实现全景和深度扫描，辐射角度比三个固定模组更大，成本更低，设备轻便，拆装方便。但此专利存在如下缺陷：转动机构需要带动转动支架一起旋转，负荷较大，导致转动机构的使用寿命缩短，且该结构组装较复杂。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种场景扫描仪，减轻转动机构负荷，延长转动机构使用寿命，提高旋转控制精度。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种场景扫描仪，包括传感器模块、第一转动机构和第二转动机构；所述第一转动机构能通过第一伸缩轴带动所述传感器模块绕第一轴线转动，且所述第一伸缩轴能在第一轴线方向上伸缩；所述第二转动机构能通过第二伸缩轴带动所述传感器模块绕第二轴线转动，且所述第二伸缩轴能在第二轴线方向上伸缩；所述第一轴线与所述第二轴线成预定夹角。

所述传感器模块相对第一伸缩轴、第二伸缩轴的位置均开设有安装孔；当所述第一伸缩轴与所述传感器模块连接时，所述第一伸缩轴伸入所述传感器模块相应位置的安装孔内；当所述第二伸缩轴与所述传感器模块连接时，所述第二伸缩轴伸入所述传感器模块相应位置的安装孔内。

所述第一转动机构设于所述传感器模块一侧；所述第二转动机构设于所述传感器模块上方或者下方。

所述传感器模块的另一侧设置有支撑件，且所述支撑件和所述第一转动机构位于所述传感器模块的两相对侧；当所述第一伸缩轴与所述传感器模块连接时，所述支撑件通过第三伸缩轴伸出与所述传感器模块连接；当所述第二转动机构驱动所述传感器模块绕第二轴线转动时，所述第三伸缩轴缩回。

本实用新型还包括限位装置；所述限位装置包括弹弓圈；所述弹弓圈外圈设有向外伸出的弹性棘齿；所述弹性棘齿与齿圈内圈上的内齿棘轮啮合；所述齿圈外圈设有多个限位槽；所述齿圈附近设置有限位开关，且当所述限位开关伸出时，限位开关的凸起与对应位置的限位槽啮合；

其中，所述弹弓圈安装于第一伸缩轴上且能随所述第一伸缩轴转动；或者所述弹弓圈安装于第二伸缩轴上且能随所述第二伸缩轴转动；或者所述第一伸缩轴、第二伸缩轴上均安装有所述弹弓圈；或者所述弹弓圈安装于所述传感器模块上；

对于第一转动机构，当所述限位开关的凸起与对应位置的限位槽啮合时，所述传感器模块停止绕第一轴线转动；对于第二转动机构，当所述限位开关的凸起与对应位置的限位槽啮合时，所述传感器模块停止绕第二轴线转动。

优选地，所述第一转动机构和/或第二转动机构上安装有止转开关；对于第一转动机构，当所述传感器模块处于第一预设位置时，所述止转开关与传感器模块对应位置上的限位部件接触；对于第二转动机构，当所述传感器模块处于第二预设位置时，所述止转开关与传感器模块对应位置上的限位部件接触。

所述限位部件为L形，该L形的水平部与所述传感器模块固定连接；对于第一转动机构，当所述传感器模块处于第一预设位置时，所述L形的垂直部末端与止转开关接触；对于第二转动机构，当所述传感器模块处于第二预设位置时，所述L形的垂直部末端与止转开关接触。

所述传感器模块远离所述第一转动机构的一侧端面上固定有磁性发射器，且所述磁性发射器发射范围内设置有安装盘；所述安装盘上安装有多个感应开关；当所述磁性发射器位置与任一感应开关位置相对时，该位置的感应开关发出姿态信息指令。

所述传感器模块包括至少一个传感器单元；所述传感器单元包括三维数据采集传感器和/或彩色图像数据采集传感器。

所述传感器模块为球体或多面体。

与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果为：本实用新型传感器模块需要转动时，只有一根伸缩轴与传感器模块连接，另外一根伸缩轴缩回，不需要转动支架，转动机构负荷减轻，转动机构的使用寿命更长、组装更简单；本实用新型的第一转动机构和/或第二转动机构上设置有限位装置、止转开关、感应开关等结构，极大地提高了旋转控制精度。

附图说明

图1为本实用新型实施例1结构示意图；

图2为本实用新型实施例2结构示意图；

图3为本实用新型伸缩轴结构示意图；

图4为本实用新型支架部分结构示意图；

图5为本实用新型复位结构部分示意图；

图6为本实用新型限位装置结构示意图；

图7为本实用新型一种传感器模块示意图；

图8为本实用新型另一种传感器模块示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型实施例1的场景扫描仪包括传感器模块1、第一转动机构2和第二转动机构3；所述第一转动机构2能通过第一伸缩轴6带动所述传感器模块1绕第一轴线转动，且所述第一伸缩轴6能在第一轴线方向上伸缩；所述第二转动机构3能通过第二伸缩轴5带动所述传感器模块1绕第二轴线转动，且所述第二伸缩轴5能在第二轴线方向上伸缩；所述第一轴线与所述第二轴线成预定夹角。

图1的结构中，当扫描仪停止工作时，第一伸缩轴6、第二伸缩轴5可以均与传感器模块1连接，也可以只有第一伸缩轴6与传感器模块连接，或者只有第二伸缩轴5与传感器模块连接，或者用其余方式支撑传感器模块，两根伸缩轴均不与传感器模块连接。

本实用新型中，第一轴线01可为水平方向的轴线，第二轴线02可为竖直方向的轴线，第二轴线与第一轴线可成90°夹角。

本实用新型所称第一方向，是指传感器模块绕第一轴线转动的方向；第二方向，是指传感器模块绕第二轴线转动的方向。例如，传感器模块可以绕第一轴线顺时针转动或逆时针转动，此时绕第一轴线顺时针转动或逆时针转动的方向为第一方向；传感器模块可以绕第二轴线顺时针转动或逆时针转动，此时绕第二轴线顺时针转动或逆时针转动的方向为第二方向。

所述传感器模块相对第一伸缩轴、第二伸缩轴的位置均开设有安装孔；当所述第一伸缩轴与所述传感器模块连接时，所述第一伸缩轴伸入所述传感器模块相应位置的安装孔内，与传感器模块固定连接，并可以带动传感器模块转动；当所述第二伸缩轴与所述传感器模块连接时，所述第二伸缩轴伸入所述传感器模块相应位置的安装孔内，与传感器模块固定连接，并可以带动传感器模块转动。

优选地，本实用新型中，第二转动机构3设置于传感器模块中部的下方或上方。

扫描仪工作时，若传感器模块1需要水平转动(即传感器模块绕第二轴线转动)，则第一伸缩轴缩回到第一转动机构2中(此时第一伸缩轴与传感器模块断开连接)，待水平旋转回到预设位置后，第二伸缩轴伸出到传感器模块1中，控制传感器模块1转动；若传感器模块需要垂直转动(即传感器模块绕第一轴线转动)，则第二伸缩轴缩回到第二转动机构3中(此时第二伸缩轴与传感器模块断开连接)，待垂直旋转回到预设位置后，第二伸缩轴5旋转伸出进入传感器模块1中，准备对其进行控制。第一伸缩轴、第二伸缩轴与传感器模块相连的位置可以是多边形孔洞，如正六边形孔洞，伸缩轴伸入传感器模块部分的形状也是正六边形，这样可以实现很好的旋转控制。两个伸缩轴与传感器模块1相连的位置也可以是螺纹孔，伸缩轴伸入传感器模块的部分也有螺纹孔，伸缩轴上的螺纹孔与传感器模块上的螺纹孔可以完全吻合，通过旋转进入传感器模块螺纹孔洞。

优选地，第一转动机构、第二转动机构均采用电机；电机的输出轴与对应的伸缩轴连接。

如图2，为了保证结构更加稳固，本实用新型实施例2的场景扫描仪中，传感器模块一侧设置有支撑件8，支撑件8与第一转动机构2位于传感器模块的两相对侧；当所述第一伸缩轴与所述传感器模块连接时，所述支撑件8通过第三伸缩轴7伸出与所述传感器模块连接(需要说明的是，在第一转动机构2驱动传感器模块转动时，传感器模块也可以绕第三伸缩轴7转动)；当所述第二转动机构驱动所述传感器模块绕第二轴线转动时，所述第三伸缩轴缩回，此处的缩回，需保证第三伸缩轴与传感器之间断开连接。

扫描仪停止工作时，第三伸缩轴可与传感器模块连接，利用支撑件8和第三伸缩轴支撑传感器模块。

优选地，本实用新型的第三伸缩轴与第一伸缩轴的轴线位于同一直线上。优选地，该直线与第一轴线平行。

支撑件8内固定有电机，通过电机驱动第三伸缩轴的伸缩。

如图3，本发明的伸缩轴包括伸缩部61，设在伸缩部外的固定部62，可以带动伸缩部转动并伸缩的旋转部63，该旋转部与电机的输出轴连接。当需要与传感器模块连接时，伸缩轴的伸缩部伸入传感器模块上的安装孔内。

如图4和图5所示，本实用新型的传感器模块、第一转动机构均安装于支架15上；本实用新型的安装盘为安装法兰12；其中传感器模块安装于支架15一侧，传感器模块一端与安装法兰12连接，安装法兰12与支架15固定连接；传感器模块另一端靠近第一转动机构，第一转动机构与支架15固定连接。

第一转动机构还包括法兰16，该法兰16靠近传感器模块1，该法兰16为U型(或者C型)，该法兰16上设置止转开关10(如鼠标微动开关、其他轻触式按键开关)，传感器模块靠近第一转动机构的一端固定有限位部件9，该限位部件9为L形，该L形包括水平部和垂直部，当传感器模块1处于预设位置(包括传感器模块1绕第一轴线转动的终点位置)时，此处所指预设位置，是指第一预设位置，所述L形的垂直部末端与所述止转开关10接触，此时止转开关10向用于控制第一转动机构转动的控制器(如单片机)输出复位信号，使该控制器控制第一转动机构驱动传感器模块复位至传感器模块绕第一轴线转动的起始位置。

上述末端，是指L形的垂直部远离水平部的一端。

本实用新型中，止转开关也可以安装于第一转动机构其余位置(需保证止转开关不转动，即止转开关应安装于第一转动机构的固定部分(该固定部分是指相对于转动部分，不会发生位置变化的部分，例如，对于电机，其输出轴会转动，那么电机的固定部分即电机除输出轴之外的本体部分))，只要保证止转开关不转动，且便于与限位部件9配合使用即可。

同样地，也可以在第二转动机构上安装止转开关(需保证止转开关不转动，即止转开关应安装于第二转动机构的固定部分(该固定部分是指相对于转动部分，不会发生位置变化的部分，例如，对于电机，其输出轴会转动，那么电机的固定部分即电机除输出轴之外的本体部分))，传感器模块对应位置安装限位部件，便于传感器模块复位。

本实用新型中，可以同时在两个转动机构上安装止转开关，传感器模块对应位置安装与止转开关配合使用的限位部件。对于第二转动机构3，当传感器模块1处于第二预设位置(包括传感器模块1绕第二轴线转动的终点位置)时，止转开关10与传感器模块1对应位置上的限位部件9接触。此时止转开关10向用于控制第二转动机构转动的控制器(如单片机)输出复位信号，使该控制器控制第二转动机构驱动传感器模块复位至传感器模块绕第二轴线转动的起始位置。

本实用新型中，止转开关、限位部件用于复位传感器模块，对于第一转动机构，止转开关、限位部件用于在传感器模块绕第一轴线转动，且需要复位时，对传感器模块进行复位；对于第二转动机构，止转开关、限位部件用于在传感器模块绕第二轴线转动，且需要复位时，对传感器模块进行复位。

本实用新型中，第一转动机构驱动传感器模块复位，是指传感器模块从当前位置绕第一轴线旋转到预设位置(可以为传感器模块绕第一轴线旋转的起始位置或者终点位置)；第二转动机构驱动传感器模块复位，是指传感器模块从当前位置绕第二轴线旋转到预设位置(可以为传感器模块绕第二轴线旋的起始位置或者终点位置)。

为了提高控制精度，在安装法兰12上安装多个感应开关14(本实用新型的感应开关为霍尔开关)，传感器模块靠近安装法兰的端面上安装磁性发射器13(安装法兰应位于磁性发射器13的有效发射范围内)，当传感器模块旋转时，磁性发射器随传感器模块一起旋转，当磁性发射器旋转到与某一感应开关位置相对时，感应开关触发，发出姿态信息指令给外部控制器，外部控制器可以根据该姿态信息指令确定传感器模块的姿态，并根据传感器模块的姿态调整第一转动机构的电机转动角度。霍尔开关和磁性发射器是非接触式的，相比机械复位和限位，其精度更高，且元件不会出现疲劳衰减的问题，寿命更长，更可靠。

上述磁性发射器与某一感应开关位置相对，是指磁性发射器的中点与该位置的感应开关的中点之间的连线平行于第一轴线。

如图6所示，本实用新型的场景扫描仪还包括限位装置，该限位装置包括弹弓圈51；所述弹弓圈51外圈设有向外伸出的弹性棘齿511；所述弹性棘齿511与齿圈52内圈上的内齿棘轮啮合；所述齿圈52外圈设有多个限位槽522；所述齿圈52侧边设置有限位开关53，且当所述限位开关53伸出时，限位开关53的凸起与对应位置的限位槽522啮合。限位槽522的个数根据视场角大小、传感器个数确定。限位开关53包括一竖直部和与该竖直部连接的水平部(即凸起)，该水平部可以伸缩(齿圈52转动时，齿圈的外圈与限位开关的水平部端部接触，此时水平部处于压缩状态，当限位开关与限位槽啮合时，水平部处于伸出状态)，当水平部伸入限位槽内时，转动机构停止旋转。

本实用新型中，弹弓圈51可以安装于第一伸缩轴上，也可以安装于第二伸缩轴上，或者第一伸缩轴、第二伸缩轴上均安装弹弓圈。

对于弹弓圈安装于第一伸缩轴上的情况，限位开关可以安装于支架15上；对于弹弓圈安装于第二伸缩轴上的情况，限位开关可以安装于第二转动机构的固定部分。

或者，也可以在传感器模块靠近第一转动机构的位置安装上述弹弓圈(例如，可以在传感器模块靠近第一转动机构的一端加设一根安装轴，将弹弓圈安装于该安装轴上，当然，也可以直接将弹弓圈套设在传感器模块靠近第一转动机构的一端)；或者，在传感器模块靠近第二转动机构的位置加设固定轴，将弹弓圈安装于该固定轴上；也可以在传感器模块靠近第一转动机构、靠近第二转动机构的位置均安装上述弹弓圈。

对于弹弓圈安装于传感器模块上的情况，限位开关安装于第一转动机构的固定部分上；对于弹弓圈安装于固定轴上的情况，限位开关安装于第二转动机构的固定部分。

本实用新型的弹弓圈还可以通过支架套512安装于电机输出轴20上，例如，对于第一转动机构，其包括第一电机，支架套套设于第一电机的输出轴上，弹弓圈套设于支架套上，此时限位开关可以安装于第一转动机构的其余位置上，也可以安装于第一伸缩轴的固定部上，只要保证限位开关不会随第一电机的输出轴转动，且限位开关的水平部伸出时可以与齿圈上的限位槽啮合即可；对于第二转动机构，其包括第二电机，支架套套设于第二电机的输出轴上，弹弓圈套设于支架套上，此时限位开关可以安装于第二转动机构的其余位置上，也可以安装于第二伸缩轴的固定部上，只要保证限位开关不会随第一电机的输出轴转动，且限位开关的水平部伸出时可以与齿圈上的限位槽啮合即可。

对于弹弓圈安装于电机输出轴的情况，值得注意的是，我们将这种情况下的电机输出轴作为伸缩轴的一部分(即伸缩轴包括了电机的输出轴)，例如第一电机的输出轴是第一伸缩轴的一部分(具体地说，可以将第一电机的输出轴看成第一伸缩轴旋转部的一部分)，第二电机的输出轴是第二伸缩轴的一部分(具体地说，可以将第二电机的输出轴看成第二伸缩轴旋转部的一部分)。

当然，对于上述第一伸缩轴上安装弹弓圈、第二伸缩轴上安装弹弓圈、传感器模块上安装弹弓圈、传感器模块固定轴上安装弹弓圈的所有情况，还可以在靠近齿圈的其余位置另设一个固定支架安装限位开关，只要保证限位开关的水平部伸出时可以与齿圈上相应位置的限位槽啮合即可。

本实用新型传感器模块包括一个传感器单元1-2，该传感器单元1-2可包括深度相机，或者，深度相机和彩色相机；具体的，该传感器单元可以为深度传感器，或者，深度传感器中的深度相机加上普通RGB相机。当然如果传感器模块只包括一个传感器单元，那么相对于由多个传感器单元构成的传感器模块而言，成本要低很多，且通过多次转动(包括但不限于垂直转动和水平转动)同样能实现全场景扫描。

如图7和图8所示，传感器模块还可以包括多个传感器单元，每个传感器单元可包括三维数据采集传感器和/或彩色图像数据采集传感器；具体的，该传感器单元可以为深度传感器，或者，深度传感器中的深度相机加上普通RGB相机。其中，本实用新型中，三维数据采集传感器可以是深度传感器、激光雷达、Kinect传感器等，彩色图像数据采集传感器可以是彩色相机等。

如图8所示，本实用新型的整个传感器模块还可以呈球形。当然还可以为其他多面体的形态，但不管整个传感器模块的形态如何，不对传感器模块所包含的传感器单元的数量进行限定，因为，为满足全场景扫描，若单个传感器单元的的视场角够大，那么就可以减少传感器单元的数量。以球形形态为例，可以包括12个传感器单元，此时相邻两个传感器单元的夹角可以为90度；还可以包括18个传感器单元，此时相邻两个传感器单元的夹角可以为60度；还可以包括21个传感器单元，此时相邻两个传感器单元的夹角可以为51.42度；还可以包括24个传感器单元，此时相邻两个传感器单元的夹角可以为45度。

由多个传感器单元构成的传感器模块，相对于由单个传感器单元构成的传感器模块而言，其单次采集图像信息的区域更大，因而能减少传感器模块的转动次数，进而缩短扫描时间。