三维激光扫描设备以及方法
【专利摘要】本发明涉及检测技术领域，公开了一种三维激光扫描设备以及方法，该设备包括：二维激光扫描仪，用于对待测对象进行二维扫描并提供所述待测对象的扫描轮廓点云数据；转台，用于进行回转操作并提供回转角度数据；固定结构，用于将所述二维激光扫描仪固定在所述转台上；以及控制器，用于控制所述二维激光扫描仪和所述转台的操作并接收所述扫描轮廓点云数据和回转角度数据；所述控制器还用于根据所述扫描轮廓点云数据和回转角度数据获得所述待测对象的三维点云坐标数据。本发明能够进行上下方向的线扫描，还可以进行左右方向的面扫描，从而实现三维面扫描功能，并且由于二维激光扫描仪的使用，大大降低了成本花费，性价比很高。
【专利说明】
三维激光扫描设备以及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及检测技术领域，具体地，涉及一种三维激光扫描设备以及方法。
【背景技术】
[0002] 激光测距是以激光器作为光源进行测距，根据激光工作的方式分为连续激光器和 脉冲激光器。氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器工作于连续输出状态，用于相位式激光测距； 双异质砷化镓半导体激光器，用于红外测距;红宝石、钕玻璃等固体激光器，用于脉冲式激 光测距。激光测距仪由于激光的单色性好、方向性强等特点，加上电子线路半导体化集成 化，与光电测距仪相比，不仅可以日夜作业、而且能提高测距精度，显著减少重量和功耗，使 测量到人造地球卫星、月球等远目标的距离变成现实。
[0003] 激光测距分为一维激光测距仪、二维激光扫描仪、三维激光扫描仪。其中，一维激 光测距仪，每次只能打一个点，只能测量出一个点位的距离。二维激光扫描仪，每次可以扫 描多个点，多个点可以拟合为一条轮廓线，属于线扫描。三维激光扫描仪可以实现三维面扫 描功能。但是现有技术中的三维激光扫描仪成本很高，例如一般一台室外型测量距离150以 上的三维激光扫描仪价格都在100万以上，很难普及。低成本、高性能的三维激光扫描仪亟 待研发解决。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中缺少一种低成本、高性能的三维激光扫描仪的技术问题，本发明 提供了一种三维激光扫描设备，该设备包括:二维激光扫描仪，用于对待测对象进行二维扫 描并提供所述待测对象的扫描轮廓点云数据;转台，用于进行回转操作并提供回转角度数 据；固定结构，用于将所述二维激光扫描仪固定在所述转台上；以及控制器，用于控制所述 二维激光扫描仪和所述转台的操作并接收所述扫描轮廓点云数据和回转角度数据;所述控 制器还用于根据所述扫描轮廓点云数据和回转角度数据获得所述待测对象的三维点云坐 标数据。
[0005] 相应地，本发明还提供了一种三维激光扫描方法，该方法包括:获取待测对象的扫 描轮廓点云数据以及回转角度数据；以及根据所述扫描轮廓点云数据和回转角度数据获得 所述待测对象的三维点云坐标数据。
[0006] 采用本发明提供的三维激光扫描设备以及方法，通过该设备的固定结构能够将二 维激光扫描仪固定在转台上，在使用时二维激光扫描仪能够对待测对象进行二维扫描并提 供所述待测对象的扫描轮廓点云数据，同时转台进行回转操作并提供回转角度数据，控制 器能够控制所述二维激光扫描仪和所述转台的操作并接收所述扫描轮廓点云数据和回转 角度数据并且根据所述扫描轮廓点云数据和回转角度数据获得所述待测对象的三维点云 坐标数据，即该设备除了能够进行上下方向的线扫描，还可以进行左右方向的面扫描，从而 实现三维面扫描功能，并且由于二维激光扫描仪的使用，大大降低了成本花费，性价比很 尚。
[0007] 本发明的其它特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【附图说明】
[0008] 附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具 体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0009] 图1是根据本发明的一种实施方式的三维激光扫描设备的结构示意图；
[0010] 图2是二维激光扫描仪的结构示意图；
[0011] 图3A是根据本发明的一种实施方式的三维激光扫描设备的结构示意图；
[0012] 图3B是根据本发明的一种实施方式的转台的回转角度的示意图；以及
[0013] 图4是根据本发明的一种实施方式的三维激光扫描方法的示例流程图。
[0014] 附图标记说明
[0015] 11扫描头 12仪表基座
[0016] 100二维激光扫描仪 200转台
[0017] 300固定结构 400控制器
【具体实施方式】
[0018] 以下结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描 述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0019] 下面将举例说明本发明的思想，但应当理解的这些示例为非局限性示例，本发明 的保护范围不限于此：
[0020] 为了更加清楚地说明本发明的思想，以三维激光扫描设备为例进行详细地说明。
[0021] 图1是根据本发明的一种实施方式的三维激光扫描设备的结构示意图，如图1所 示，该设备可以包括:二维激光扫描仪100,用于对待测对象进行二维扫描并提供所述待测 对象的扫描轮廓点云数据;转台200,用于进行回转操作并提供回转角度数据；固定结构 300，用于将所述二维激光扫描仪100固定在所述转台200上；以及控制器400，用于控制所述 二维激光扫描仪和所述转台的操作并接收所述扫描轮廓点云数据和回转角度数据;所述控 制器还用于根据所述扫描轮廓点云数据和回转角度数据获得所述待测对象的三维点云坐 标数据。
[0022] 采用这样的实施方式，通过该设备的固定结构能够将二维激光扫描仪固定在转台 上，除了能够进行上下方向的线扫描外，还可以进行左右方向的面扫描，从而实现三维面扫 描功能，并且在保证高性能的同时成本较低，可以被广泛应用和普及。
[0023]具体地，可以根据实际情况选择二维激光扫描仪100,例如可以选择室外型长距离 的二维激光扫描仪、或者短距离、高精度、轻型、室内型的扫描仪产品。以室外型长距离的二 维激光扫描仪为例，图2是二维激光扫描仪的结构示意图，如图2所示，该二维激光扫描仪包 括扫描头11和仪表基座12。所述二维激光扫描仪100可以对待测对象进行二维扫描并提供 所述待测对象的扫描轮廓点云数据(例如扫描轮廓点云数据可以包括扫描角度和对应该扫 描角度从所述二维激光扫描仪的扫描头中心到所述待测对象的一点的距离）。
[0024]转台200-般可以采用一维回转方式的转台（例如高精度一维转台），也可采用水 平、垂直双方向的二维转台。以一维转台为例，其可以进行回转操作并提供回转角度数据。
[0025]为了实现三维扫描的功能，需要将二维激光扫描仪100与转台200连接，图3A是根 据本发明的一种实施方式的三维激光扫描设备的结构示意图，如图3A所示，固定结构300可 以将所述二维激光扫描仪100固定在所述转台200上。例如，所述固定结构300为楔形加强筋 板(材质可以是普通碳钢或更优的钢板），所述二维激光扫描仪100通过螺栓固定于所述楔 形加强筋板的一端，所述转台通过螺栓固定于所述楔形加强筋板的另一端。采用这样的实 施方式，该设备不但可以实现线扫描，而且还可以实现面扫描。
[0026]进一步地，为了采集和处理扫描到的数据，控制器400可以分别与二维激光扫描仪 1 〇〇和转台200，例如二维激光扫描仪100的数据接口可以通过以太网接口与控制器400连 接，而转台200可以通过例如RS485等的通讯接口与所述控制器400连接，由此控制器400可 以控制所述二维激光扫描仪100和所述转台200的操作(例如控制二维激光扫描仪100开启、 关闭、暂停，控制转台200正向回转、反向回转、转台归零以及回转速度设定等)并接收所述 扫描轮廓点云数据和回转角度数据。并且，所述控制器400还根据所述扫描轮廓点云数据和 回转角度数据获得所述待测对象的三维点云坐标数据。其中，所述控制器400可以为任何可 以实现上述功能的装置，例如工控机。
[0027]下面进一步阐明控制器400根据所述扫描轮廓点云数据和回转角度数据获得待测 对象的三维点云坐标数据的过程：
[0028]首先，考虑到激光扫描仪在室外扫描过程中，有可能遇到干扰的噪点，从而造成扫 描数据的不准确，因此需要对接收的扫描轮廓点云数据进行滤波处理。所述滤波处理包括 中值滤波、均值滤波、和最小二乘法滤波中的任一者。
[0029]其中，中值滤波可以过滤尖峰脉冲。以一维信号的中值滤波举例。对序列80、120、 90、200、100、110、70，如果按大小顺序排列，其结果为70、80、90、100、110、120、200，其中间 位置上的灰度值为100,则该灰度序列的中值即为100。一维信号中值滤波实际上就是用中 值代替规定位置(一般指原始信号序列中心位置)的信号值。对前面所举的序列而言，中值 滤波的结果是用中值100替代序列80、120、90、200、100、110、70中的信号序列中心位置值 200，得到的滤波序列就是80、120、90、100、100、110、70。如果在此序列中200是一个噪声信 号，则用此方法即可去除这个噪声点。均值滤波算法的主要思想为邻域平均法，即用几个点 云的平均值来代替每个点的数值，有效抑制加性噪声，但可能造成数据的精准度下降。最小 二乘法通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求 得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。应当理解的 是，本领域技术人员可以根据实际情况选择适当的滤波处理方法中的一者或多者的结合， 以提高扫描的精确度。
[0030] 此外，由于三维激光扫描仪在工作时，二维激光在扫描的同时一维转台也在运行， 读取一个二维的点云轮廓数据要配合转台的角度数据才能形成三维数据，但是如果同步性 不好，例如，转台在10°时激光扫描的二维点云数据，如果回转角度读取时存在滞后，读取为 12°，这时点云数据与真实数据之间都相差了一段空间距离，造成误差较大。为了解决该问 题，控制器400可以采用以下方法中的任一者来控制所述二维激光扫描仪和所述转台同步 操作：
[0031] (1)单步静态读取法
[0032] 在这种方法中，控制器400先控制转台回转一定角度，例如0.5度，停止后启动激光 扫描，扫描一个扫描轮廓点云数据，然后再次回转0.5度，再次读取扫描数据。这种方法的优 点是：同步性好，三维数据准确度最高;缺点是转台单步断续运行，扫描时间较长。对于精准 度要求高，扫描速度要求较低的场合可以采取这种方法进行扫描。
[0033] (2)时间戳法
[0034]在这种方法中，控制器400控制转台连续回转、扫描仪连续扫描，同时循环读取回 转角度数据和扫描轮廓点云数据，但是每个读取循环都给回转角度数据和扫描轮廓点云数 据加上一个系统时间戳，全部扫描完毕后，通过时间戳查找时间最接近的回转角度数据和 扫描轮廓点云数据进行匹配。这种方法的优点是:扫描速度较快，同步精度尚可，对于扫描 速度要求很快的场合适合这种算法。
[0035] (3)快速正反误差消除法
[0036]这种方法与时间戳法类似，不同点在于控制器400控制转台正反两个方向都运行 一次，形成两次扫描轮廓点云数据。通过计算两次扫描轮廓点云数据的平均值，进一步提高 同步性精度。这种方法的优点是:扫描时间适中，扫描精度较高，可以在大多数场合应用。 [0037]数据同步完成后，可以进行三维点云坐标数据的坐标转换，图3B是根据本发明的 一种实施方式的转台的回转角度的示意图，如图3A和3B所示，以所述转台200的中心所在竖 直轴线与所述转台底面交点为坐标原点〇,在所述转台底面上通过所述坐标原点〇的回转角 度α的参考线作为X轴，以在所述转台底面上通过所述坐标原点0的X轴的垂线作为Y轴，以所 述转台的中心所在竖直轴线作为Z轴，建立三维直角坐标系。
[0038] 其中，所述扫描轮廓点云数据可以包括二维激光扫描仪的扫描角度Θ和对应该扫 描角度Θ从所述二维激光扫描仪的扫描头11中心到所述待测对象的一点的距离1，所述回转 角度数据可以包括转台的回转角度α，控制器400根据所述扫描轮廓点云数据和回转角度数 据获得所述待测对象的三维点云坐标数据可以包括根据以下公式获得所述待测对象的一 点的三维坐标(x，y，z): X = UcqsO + h) cos a
[0039] ' v = (/cos^ + /〇sin? ; z = J + / sin 0
[0040] 其中，所述回转角度α为所述转台在XOY平面内相对于所述参考线回转的角度，所 述扫描角度Θ为所述二维激光扫描仪的扫描头在XOZ平面内相对于X轴偏转的角度，h为所述 二维激光扫描仪的扫描头11中心到所述YOZ平面的距离，d为所述二维激光扫描仪的扫描头 11中心到所述XOY平面的距离，其中h和d为固定值，可以预先测量获得。
[0041] 类似地，控制器400可以根据上述公式计算构成所述待测对象的多个点（例如构成 待测对象的所有数量的点）的三维坐标，这些三维坐标点可以包括在三维点云坐标数据中， 从而实现三维扫描的功能。
[0042] 由于一次扫描的数据可达IOM以上，数据量较大。因此，优选地，控制器可以将获得 的数据包转换为二进制后存储到关系型数据库(数据格式一般为blob)，以减少存储空间占 用量。
[0043]图4是根据本发明的一种实施方式的三维激光扫描方法的示例流程图，如图4所 示，该方法可以包括以下步骤：
[0044]步骤1001，获取待测对象的扫描轮廓点云数据以及回转角度数据；以及
[0045]步骤100,根据所述扫描轮廓点云数据和回转角度数据获得所述待测对象的三维 点云坐标数据。
[0046]优选地，该方法还包括:对获取的扫描轮廓点云数据进行滤波处理，其中所述滤波 处理包括中值滤波、均值滤波、和最小二乘法滤波中的任一者。
[0047]优选地，该方法还包括:采用以下方法中的任一者同步地获取待测对象的扫描轮 廓点云数据以及回转角度数据:单步静态读取法、时间戳法、和快速正反误差消除法。
[0048]优选地，所述扫描轮廓点云数据包括二维激光扫描仪的扫描角度Θ和对应该扫描 角度Θ从所述二维激光扫描仪的扫描头中心到所述待测对象的一点的距离1，所述回转角度 数据包括转台的回转角度α，以及所述根据所述扫描轮廓点云数据和回转角度数据获得所 述待测对象的三维点云坐标数据包括根据以下公式获得所述待测对象的一点的三维坐标 (x,y,z)： X =(Icosf) + h) cos a
[0049] < v = (/cosC+ /?)sin6?; z - d Λ-? sin 0
[0050] 其中，以所述转台的中心所在竖直轴线与所述转台底面交点为坐标原点0，在所述 转台底面上通过所述坐标原点0的回转角度α的参考线作为X轴，以在所述转台底面上通过 所述坐标原点0的X轴的垂线作为Y轴，以所述转台的中心所在竖直轴线作为Z轴，建立三维 直角坐标系，所述回转角度α为所述转台在XOY平面内相对于所述参考线回转的角度，所述 扫描角度Θ为所述二维激光扫描仪的扫描头在XOZ平面内相对于X轴偏转的角度，h为所述二 维激光扫描仪的扫描头中心到所述YOZ平面的距离，d为所述二维激光扫描仪的扫描头中心 到所述XOY平面的距离；以及所述待测对象的三维点云坐标数据包括构成所述待测对象的 多个点的三维坐标。
[0051] 应当理解的是，上述三维激光扫描方法的各个【具体实施方式】，均已在示例在三维 激光扫描设备的实施方式中做了详细地说明（如上所述），在此不再赘述。并且，本领域技术 人员可以根据本发明的公开选择上述各种实施方式中的任一者，或者选择上述各种实施方 式的组合来进行配置，并且其他的替换实施方式也落入本发明的保护范围。
[0052] 本发明提供的三维激光扫描设备以及方法，防护等级高、精度高、性能佳、成本低、 扫描距离长、扫描时间较快，一个扫描周期一般小于2分钟，适合恶劣天气下的室外作业。例 如，可以应用在散料场的煤堆、矿石堆的三维激光扫描建模上，或者应用在对集装箱、船体 的扫描。
[0053]以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实 施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简 单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0054] 另外需要说明的是，在上述【具体实施方式】中所描述的各个具体技术特征，在不矛 盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可 能的组合方式不再另行说明。
[0055] 此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本 发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
【主权项】
1. 一种Ξ维激光扫描设备，其特征在于，该设备包括： 二维激光扫描仪，用于对待测对象进行二维扫描并提供所述待测对象的扫描轮廓点云 数据； 转台，用于进行回转操作并提供回转角度数据； 固定结构，用于将所述二维激光扫描仪固定在所述转台上；W及 控制器，用于控制所述二维激光扫描仪和所述转台的操作并接收所述扫描轮廓点云数 据和回转角度数据;所述控制器还用于根据所述扫描轮廓点云数据和回转角度数据获得所 述待测对象的Ξ维点云坐标数据。2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制器还用于： 对接收的扫描轮廓点云数据进行滤波处理，其中所述滤波处理包括中值滤波、均值滤 波、和最小二乘法滤波中的任一者。3. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制器还用于： 控制所述二维激光扫描仪和所述转台同步操作。4. 权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制器还用于控制所述二维激光扫描仪和 所述转台同步操作包括采用W下方法中的任一者： 单步静态读取法、时间戳法、和快速正反误差消除法。5. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述固定结构为模形加强筋板，所述二维 激光扫描仪通过螺栓固定于所述模形加强筋板的一端，所述转台通过螺栓固定于所述模形 加强筋板的另一端。6. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述扫描轮廓点云数据包括二维激光扫描 仪的扫描角度Θ和对应该扫描角度Θ从所述二维激光扫描仪的扫描头中屯、到所述待测对象 的一点的距离1，所述回转角度数据包括转台的回转角度及 所述根据所述扫描轮廓点云数据和回转角度数据获得所述待测对象的Ξ维点云坐标 数据包括根据W下公式获得所述待测对象的一点的Ξ维坐标(x，y，z):其中，W所述转台的中屯、所在竖直轴线与所述转台底面交点为坐标原点0,在所述转台 底面上通过所述坐标原点0的回转角度α的参考线作为X轴，W在所述转台底面上通过所述 坐标原点0的X轴的垂线作为Υ轴，W所述转台的中屯、所在竖直轴线作为Ζ轴，建立Ξ维直角 坐标系，所述回转角度α为所述转台在Χ0Υ平面内相对于所述参考线回转的角度，所述扫描 角度Θ为所述二维激光扫描仪的扫描头在Χ0Ζ平面内相对于X轴偏转的角度，h为所述二维激 光扫描仪的扫描头中屯、到所述Y0Z平面的距离，d为所述二维激光扫描仪的扫描头中屯、到所 述X0Y平面的距离；W及 所述待测对象的Ξ维点云坐标数据包括构成所述待测对象的多个点的Ξ维坐标。7. -种Ξ维激光扫描方法，其特征在于，该方法包括： 获取待测对象的扫描轮廓点云数据W及回转角度数据；W及 根据所述扫描轮廓点云数据和回转角度数据获得所述待测对象的Ξ维点云坐标数据。8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法还包括： 对获取的扫描轮廓点云数据进行滤波处理，其中所述滤波处理包括中值滤波、均值滤 波、和最小二乘法滤波中的任一者。9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法还包括： 采用W下方法中的任一者同步地获取待测对象的扫描轮廓点云数据W及回转角度数 据： 单步静态读取法、时间戳法、和快速正反误差消除法。10. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述扫描轮廓点云数据包括二维激光扫 描仪的扫描角度Θ和对应该扫描角度Θ从所述二维激光扫描仪的扫描头中屯、到所述待测对 象的一点的距离1，所述回转角度数据包括转台的回转角度a，W及所述根据所述扫描轮廓 点云数据和回转角度数据获得所述待测对象的Ξ维点云坐标数据包括根据W下公式获得 所述待测对象的一点的Ξ维坐标(X，y，Z):其中，W所述转台的中屯、所在竖直轴线与所述转台底面交点为坐标原点0,在所述转台 底面上通过所述坐标原点0的回转角度α的参考线作为X轴，W在所述转台底面上通过所述 坐标原点0的X轴的垂线作为Υ轴，W所述转台的中屯、所在竖直轴线作为Ζ轴，建立Ξ维直角 坐标系，所述回转角度α为所述转台在Χ0Υ平面内相对于所述参考线回转的角度，所述扫描 角度Θ为所述二维激光扫描仪的扫描头在Χ0Ζ平面内相对于X轴偏转的角度，h为所述二维激 光扫描仪的扫描头中屯、到所述Y0Z平面的距离，d为所述二维激光扫描仪的扫描头中屯、到所 述X0Y平面的距离；W及 所述待测对象的Ξ维点云坐标数据包括构成所述待测对象的多个点的Ξ维坐标。
【文档编号】G01B11/24GK105841631SQ201610165775
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】李长安, 霍丽燕, 于洋, 李靖宇, 师伟, 马磊, 姚同建, 崔永祥, 周庆博, 王宁, 冀伟
【申请人】中国神华能源股份有限公司, 神华黄骅港务有限责任公司