三维激光扫描仪数据等距采集方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光扫描领域，具体涉及一种三维激光扫描仪数据等距采集方法及系 统。
【背景技术】
[0002] 三维激光扫描仪是一种集成了多种高新技术的新型三维坐标测量仪器，采用非接 触式高速激光测量方式，以点云形式获取被测对象表面的阵列式几何图形的三维数据，其 激光测距的基本原理已发展成熟，数据获取的准确性和有效性也得以保障，然而其数据采 集的方法仍值得探讨，传统的数据采集方法一等角采集法，如图1所示，分别通过两个步进 电机控制扫描头的径向摆动和轴向旋转，扫描头先在预设的径向摆动角度下均匀轴向旋 转，每旋转一次（通常为0.5°~3°之间的一个固定值）采集一个点数据，完成一周扫描 后扫描头自动摆动（通常指抬高）一个预设的角度（通常为Γ~5°之间的一个固定值）， 继续下一周的扫描，直至扫描过程全部结束。这种径向每次摆动的角度和轴向每次旋转的 角度均为固定值的数据采集方法导致的结果是：近处数据采集过于密集，远处数据采集过 于稀疏。
[0003] 北京矿冶研宄总院在传统数据采集方法的基础上，提出一种自适应数据采集方 法，在扫描过程中，对下一个扫描点进行预扫描，根据扫描结果对径向摆动的角度Θ和轴 向旋转的角度α进行调整，并根据调整后的结果Θ '和α '扫描下一个点，其原理如图2 所示，该方法在数据采集的精细化和均匀性上起到了一定的作用，但是，该方法要求控制径 向摆动的步进电机和控制轴向旋转的步进电机都需要不断来回的运作，同时图中所示的轮 廓实际中不存在，具有很大的盲目性。该方法不但大大降低了数据采集的效率，而且对仪器 的损伤较为严重，无法满足实际的需求。
[0004] 国外尚无人研宄三维激光扫描仪的数据采集方法，故迫切需求一种高效实用的三 维激光扫描仪数据等距采集方法。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的不足，本发明提供一种三维激光扫描仪数据等距采集方法和系 统，可以得到尽量满足预期扫描间距的均匀精细数据采集点。
[0006] 为实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
[0007] 第一方面，本发明提供一种三维激光扫描仪数据等距采集方法，包括：
[0008] 对待测区域进行％次轮廓预扫描；
[0009] 根据预扫描结果得到2*ΝΡ条待测区域的轮廓线，并从2*\条轮廓线中选取出最长 的轮廓线作为基准轮廓线；
[0010] 将基准轮廓线按预设的扫描间距Tol均匀等分，从而计算出扫描头径向每次摆动 的角度Θ i;
[0011] 在径向摆动角度Θ ，各轮廓线与下一条轮廓线之间通过迭代过渡插值得到扫 描头轴向每次旋转的角度ai j;
[0012] 依次按照各径向摆动角度Θ i及该径向摆动角度下轴向旋转角度a U进行激光扫 描，得到待测区域的三维空间数据点。
[0013] 其中，所述通过Np次预扫描结果得到2*Np条待测区域的轮廓线，并从2*N p条轮廓 线中选取出最长的轮廓线作为基准轮廓线包括：Np次预扫描的结果与初始方位线相交于同 一点，通过交点将各扫描结果划分为两部分，从而得到2*%条待测区域的轮廓线；计算2*N P 条轮廓线的长度，并从中选取出最长的轮廓线作为基准轮廓线；将基准轮廓线编号为1，按 逆时针方向给其余轮廓线编号为2, 3, ·"，2*ΝΡ，规定第2*%条轮廓线的下一条轮廓线为基 准轮廓线。
[0014] 其中，所述将基准轮廓线按预设的扫描间距Tol均匀等分，从而计算出扫描头径 向每次摆动的角度Θ i包括：
[0015] 所述扫描头径向每次摆动的角度Θ 1按以下方式计算：
[0016] Θ J= Θ j-Θ^!= arcsin(Rn；i/Sn；i)-arcsin(Rn ^1ZSnj^1)
[0017] 式中，为扫描头第i次径向摆动后发出的射线与初始方位线之间的夹角， i多1，^tl= 0 ;Rn;i为扫描头第i次径向摆动后发出的射线与基准轮廓线的交点到初始方 位线的垂直距离；Siu为扫描头第i次径向摆动后发出的射线与基准轮廓线的交点到激光 扫描头的距离，其中η = 1，表示扫描头发出的射线与基准轮廓线相交。
[0018] 其中，所述在径向摆动角度QiT，各轮廓线与下一条轮廓线与之间通过迭代过渡 插值得到扫描头轴向每次旋转的角度a u包括：
[0019] 所述扫描头轴向每次旋转的角度a u按以下方式计算：
[0020] a i；J= Το1Χ360/(2 π Xr n；i；m)
[0021] 式中，Tol为预期的扫描间距；Riu为扫描头第i次径向摆动后发出的射线与基准 轮廓线的交点到初始方位线的垂直距离；为!^,与R n+1，i之间第m次迭代过渡插值得到 的距离值。
[0022] 第二方面，本发明提供一种三维激光扫描仪数据等距采集系统，包括：
[0023] 信息设置单元，用于设置扫描头的空间方位信息，包括扫描头的空间坐标和初始 位置时的方位角和倾角，以及扫描头的径向范围；
[0024] 预扫描单元，用于对待测区域进行％次轮廓预扫描；
[0025] 选择单元，用于根据预扫描结果得到2*Np条待测区域的轮廓线，并从2*N p条轮廓 线中选取出最长的轮廓线作为基准轮廓线；
[0026] 计算单元，用于将基准轮廓线按预设的扫描间距Tol均匀等分，计算各径向摆动 角度S i及该径向摆动角度下轴向旋转角度a i
[0027] 其中，在径向摆动角度Θ ，各轮廓线与下一条轮廓线之间通过迭代过渡插值得 到扫描头轴向每次旋转的角度ai j;
[0028] 等距扫描单元，用于依次按照各径向摆动角度Θ 该径向摆动角度下轴向旋转 角度a u进行激光扫描，得到待测区域的三维空间数据点。
[0029] 其中，所述选择单元具体用于通过Np次预扫描结果得到2*Np条待测区域的轮廓 线，并从2*%条轮廓线中选取出最长的轮廓线作为基准轮廓线；其中，N p次预扫描的结果与 初始方位线相交于同一点，通过交点将各扫描结果划分为两部分，从而得到2*&条待测区 域的轮廓线；计算2*%条轮廓线的长度，并从中选取出最长的轮廓线作为基准轮廓线；将 基准轮廓线编号为1，按逆时针方向给其余轮廓线编号为2, 3,…，2*NP，规定第2*NP条轮廓 线的下一条轮廓线为基准轮廓线。
[0030] 其中，所述计算单元具体用于计算扫描头径向每次摆动的角度θρ
[0031] 其中，扫描头径向每次摆动的角度Θ i按以下方式计算：
[0032] Θ J= Θ j-Θ^!= arcsin(Rn；i/Sn；i)-arcsin(Rn ^1ZSnj^1)
[0033] 式中，Qi为扫描头第i次径向摆动后发出的射线与初始方位线之间的夹角， i多1，^ tl= 0 ;Rn;i为扫描头第i次径向摆动后发出的射线与基准轮廓线的交点到初始方 位线的垂直距离；Siu为扫描头第i次径向摆动后发出的射线与基准轮廓线的交点到激光 扫描头的距离，其中η = 1，表示扫描头发出的射线与基准轮廓线相交。
[0034] 其中，所述计算单元具体用于计算扫描头轴向每次旋转的角度a i;j，
[0035] 其中，所述扫描头轴向每次旋转的角度a i;j按以下方式计算：
[0036] a i；J= Το1Χ360/(2 π Xr n；i；m)
[0037] 式中，Tol为预期的扫描间距；Riu为扫描头第i次径向摆动后发出的射线与基准 轮廓线的交点到初始方位线的垂直距离；为!^,与R n+1，i之间第m次迭代过渡插值得到 的距离值。
[0038] 通过以上描述可知，本发明所述的三维激光扫描仪数据等距采集方法及系统，可 以得到尽量满足预期扫描间距的均匀精细数据采集点，即实现等距采集。既解决了传统数 据采集方法得到的数据点不均匀的问题，也实现了数据采集人员期望扫描的结果满足一定 精度的要求，避免盲目的采集数据。
【附图说明】
[0039] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 这些附图获得其他的附图。
[0040] 图1示出了三维激光扫描仪传统数据采集方法一等角采集法原理的示意图；
[0041] 图2示出了北京矿冶研宄总院提出的三维激光扫描仪自适应数据采集方法的示 意图；
[0042] 图3示出了本发明实施例提供的三维激光扫描仪数据等距采集方法的流程图；
[0043] 图4示出了本发明实施例提供的三维激光扫描仪数据等距采集方法的原理示意 图；
[0044]图5示出了本发明实施例提供的三维激光扫描仪数据等距采集方法涉及的迭代 过渡插值方法示意图；
[0045] 图6示出了本发明实施例提供的三维激光扫描仪数据等距采集系统的交互界面 示意图；
[0046] 图7a示出了传统数据采集方法得到的点数据的示意图；
[0047] 图7b示出了本发明实施例数据采集方法得到的点数据的示意图；
[0048] 图8a示出了传统采集数据的建模结果的示意图；
[0049] 图8b示出了本发明实施例采集数据的建模结果的示意图；
[0050] 图9示出了本发明实施例提供的三维激光扫描仪数据等距采集系统的结构示意 图。
【具体实施方式】
[0051] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是 本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员 在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0052] 实施例一
[0053] 图3示出了本发明实施例一提供的三维激光扫描仪数据等距采集方法的流程图。 该发明实施例一所述的三维激光扫描仪数据等距采集方法包括：
[0054] 步骤101 :对待测区域进行Np次轮廓预扫描（Np> 1，由用户根据待测区域的复杂 情况设定）。
[0055] 步骤102 :根据预扫描结果得到2*Np条待测区域的轮廓线，并从2*Np条轮廓线中 选取出最长的轮廓线作为基准轮廓线。
[0056] 在本步骤中，所述通过Np次预扫描结果得到2*N p条待测区域的轮廓线，并从2*N p 条轮廓线中选取出最长的轮廓线作为基准轮廓线包括：Np次预扫描的结果与初始方位线相 交于同一点，通过交点将各扫描结果划分为两部分，从而得到2*%条待测区域的轮廓线；计