简易型三维激光扫描设备的制作方法

本发明涉及三维激光扫描设备。

背景技术：

激光扫描，是一种从复杂实体或者实景中重建目标全景数据及模型的技术。激光扫描仪成功用于多个领域，如工业测量、地形测量、文物保护、城市建模、并行检测、逆向工程及虚拟现实等。

测距信息在激光扫描中具有重要作用。按照测距原理，可以分为三角法、脉冲法、相位法。三角法是一束激光照射到物体上，部分漫反射激光经过棱镜在光电探测设备上成像。三角法在应用上有很多定位参数要求，在测量设备标定上非常繁琐而且费时，实测时若系统中某项参数无法准确得到，将使得测量数据产生误差。当测量设备有微小变动时，系统中每项参数都必须重新标定。见许智钦 孙长库编著，《3D逆向工程》（中国计量出版社2002年4月第1版）p16。

何保喜主编，黄河水利出版社2005年8月出版之《全站仪测量技术》第二章第二节，介绍了目前全站仪的测距原理，主要是脉冲法、相位法测距，都需要对应的复杂的电子系统。脉冲法测距，直接测定测距仪发出的脉冲往返被测距离的时间。根据叶晓明、凌模著，武汉大学出版社2004年3月出版之《全站仪原理误差》p8，用于计时的时钟频率即便有极微小的误差，也会导致很大的测量误差。比如时钟频率为100MHz，即便有±1Hz的频率误差，测距误差也将达到±1.5m。所以脉冲法测量精度低，主要用于远程低精度测量。相位法测距，其原理是通过测量连续的调制信号在待测距离上往返产生的相位变化来间接测定传播时间，从而求得传播距离。相位法测距，涉及复杂的控制和运算，比如测尺转换和控制、光路转换控制，减光自动控制，测相节奏（时序控制）、相位距离换算、粗精尺距离衔接运算等等（见叶晓明、凌模著，武汉大学出版社2004年3月出版之《全站仪原理误差》p15）。测量的电子系统远比脉冲法复杂。由此会导致很多问题。叶晓明、凌模著，武汉大学出版社2004年3月出版之《全站仪原理误差》p42第3章进行了分析，比如电路中的同频光电窜扰信号导致的周期误差，内部石英晶体振荡器受温度影响导致的误差。李广云、李宗春主编，测绘出版社2011年1月出版之《工业测量系统原理与应用》p134，也提及实际测距频率和设计频率不一致导致的测距误差问题。

有一个问题对测距精度至关重要，无论脉冲测距或者相位测距，其测距精度都取决于对大气中的光速的精确测量。而实际测量过程中，光速受到大气温度、湿度、气压等情况影响，需要事先测量这些气象参数，并进行相关的气象改正。根据李泽球主编，武汉理工大学出版社2012年7月出版之《全站仪测量技术》p22，全站仪的气象改正还与该全站仪所用测距光波的波长有关。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种测量精确、操作方便的简易型三维激光扫描设备。

为达到上述目的，本发明采取技术方案之一如下：本发明具有基座、水平回转平台、支架和竖轴，支架固定在水平回转平台上，竖轴与基座固定连接，水平回转平台处于基座上且围绕竖轴的轴心线旋转，支架上设有相互平行的水平的且各能围绕自身轴心线进行旋转的主横轴和副横轴；主横轴的轴心线与竖轴的轴心线相交，形成主交点；副横轴的轴心线与竖轴的轴心线相交，形成副交点；在主横轴上固定有一号主观测装置，一号主观测装置为一内置CCD数字相机的望远镜，其视准轴称为一号主观测线；一号主观测线通过主交点且垂直于主横轴的轴心线；在副横轴上固定有一号副观测装置，一号副观测装置为一激光器，其光轴称为一号副观测线；一号副观测线通过副交点且垂直于副横轴的轴心线；一号主观测线和一号副观测线处于同一铅垂面；竖轴与水平回转平台之间安装有水平度盘，主横轴和支架相应部位之间安装主度盘，副横轴和支架相应部位之间安装副度盘；上述水平回转平台、主横轴和副横轴的旋转均为电动；使用时，一号主观测线调整到初始主垂直角，水平回转平台转动至起始扫描位置，一号副观测装置被驱动，直至在内置CCD数字相机在一号主观测线上观察到一号副观测装置照射到被扫描物体上的激光照射点，完成第一点测量，而后，水平回转平台自动转动某个角度，重复上述过程，完成第二点测量，直至完成该层扫描；重复上述过程，进行下一层的扫描，直至完成全部层扫描。

为达到上述目的，本发明采取技术方案之二如下：本发明具有基座、水平回转平台、支架和竖轴，支架固定在水平回转平台上，竖轴与基座固定连接，水平回转平台处于基座上且围绕竖轴的轴心线旋转，支架上设有相互平行的水平的且各能围绕自身轴心线进行旋转的主横轴和副横轴；主横轴的轴心线与竖轴的轴心线相交，形成主交点；副横轴的轴心线与竖轴的轴心线相交，形成副交点；在主横轴上固定有二号主观测装置，二号主观测装置为一激光器，其光轴称为二号主观测线；二号主观测线通过主交点且垂直于主横轴的轴心线；在副横轴上固定有二号副观测装置，二号副观测装置为一内置CCD数字相机的望远镜，其视准轴称为二号副观测线；二号副观测线通过副交点且垂直于副横轴的轴心线；二号主观测线和二号副观测线处于同一铅垂面；竖轴与水平回转平台之间安装有水平度盘，主横轴和支架相应部位之间安装主度盘，副横轴和支架相应部位之间安装副度盘；上述水平回转平台、主横轴和副横轴的旋转均为电动；使用时，二号主观测线调整到初始主垂直角，主度盘给出初始主垂直角α；水平回转平台转动至起始扫描位置，水平度盘给出初始角度；二号副观测装置被驱动，直至在内置CCD数字相机在二号主观测线上观察到二号副观测装置照射到被扫描物体上的激光照射点，完成第一点测量；而后，水平回转平台自动转动某个角度，重复上述过程，完成第二点测量，直至完成该层扫描；重复上述过程，进行下一层的扫描，直至完成全部层扫描。

为达到上述目的，本发明采取技术方案之三如下：本发明具有基座、水平回转平台、支架和竖轴，支架固定在水平回转平台上，竖轴与基座固定连接，水平回转平台处于基座上且围绕竖轴的轴心线旋转，支架上设有相互平行的水平的且各能围绕自身轴心线进行旋转的主横轴和副横轴；主横轴的轴心线与竖轴的轴心线相交，形成主交点；副横轴的轴心线与竖轴的轴心线相交，形成副交点；在主横轴上固定有三号主观测装置，三号主观测装置为一激光器，其光轴称为三号主观测线；三号主观测线通过主交点且垂直于主横轴的轴心线；在副横轴上固定有三号副观测装置，三号副观测装置为一激光器，其光轴称为三号副观测线；三号副观测线通过副交点且垂直于副横轴的轴心线；三号主观测线和三号副观测线处于同一铅垂面；在支架上设有CCD数字相机，竖轴与水平回转平台之间安装有水平度盘，主横轴和支架相应部位之间安装主度盘，副横轴和支架相应部位之间安装副度盘；上述水平回转平台、主横轴和副横轴的旋转均为电动；使用时，三号主观测线调整到初始主垂直角，水平回转平台转动至起始扫描位置，三号副观测装置被驱动，直至在CCD数字相机只观测到一个激光照射点，完成第一点测量，而后，水平回转平台自动转动某个角度，重复上述过程，完成第二点测量，直至完成该层扫描；三号主观测装置自动调整主垂直角，重复上述过程，进行下一层的扫描，直至完成全部层扫描。

本发明具有如下积极效果：相对三角法，本发明可以直接用于扫描，无需事先进行繁琐费时的标定；相对脉冲法和相位法，本发明电子设备大大简化，外界温度等因素对设备的影响大大减少；本发明完全可以满足测距精度要求；且本发明测距与光速无关，故使用前，无需进行温度、气压等测量，无需气象改正，为操作提供方便。

附图说明

图1是实施例1的正面示意图。

图2是实施例1的侧面示意图。

图3是实施例1的角度测量示意图。

图4是实施例2的正面示意图。

图5是实施例2的侧面示意图。

图6是实施例2的角度测量示意图。

图7是实施例3的正面示意图。

图8是实施例3的侧面示意图。

图9是实施例3的角度测量示意图。

具体实施方式

实施例1

见图1至图3，实施例1具有基座1、水平回转平台2、支架4和竖轴9，支架4固定在水平回转平台2上，竖轴9与基座1固定连接，水平回转平台2处于基座1上且围绕竖轴9的轴心线9a旋转，支架4上设有相互平行的水平的且各能围绕自身轴心线进行旋转的主横轴5和副横轴8；主横轴5的轴心线5a与竖轴9的轴心线9a相交，形成主交点；副横轴8的轴心线8a与竖轴9的轴心线9a相交，形成副交点；在主横轴5上固定有一号主观测装置6-1，一号主观测装置6-1为一内置CCD数字相机的望远镜，其视准轴称为一号主观测线6-1a；一号主观测线6-1a通过主交点且垂直于主横轴5的轴心线5a；在副横轴8上固定有一号副观测装置7-1，一号副观测装置7-1为一激光器，其光轴称为一号副观测线7-1a；一号副观测线7-1a通过副交点且垂直于副横轴8的轴心线8a；一号主观测线6-1a和一号副观测线7-1a处于同一铅垂面；竖轴9与水平回转平台2之间安装有水平度盘3，主横轴5和支架4相应部位之间安装主度盘11，副横轴8和支架4相应部位之间安装副度盘12；上述水平回转平台2、主横轴5和副横轴8的旋转分别由各电机驱动，电机或是伺服电机或是超声电机。

水平度盘3用于测量水平回转平台2的回转角度 。主度盘11用于测量主观测线6-1a与竖向轴线9a之间的夹角即主垂直角α的大小。副度盘12用于测量副观测线7-1a与竖向轴线9a所夹之角即副垂直角β的大小。

主横轴5旋转带动一号主观测装置6-1作俯仰，副横轴8旋转带动一号副观测装置7-1作俯仰。一号主观测装置6-1和一号副观测装置7-1能随水平回转平台2的回转而同步水平回转。当一号主观测装置6-1和一号副观测装置7-1在俯仰时，主观测线6-1a和副观测线7-1a可交会于目标点。

本实施例还具有电源部分、数据处理部分、通讯接口、及显示屏、键盘等。

在被扫描物体外某点，将本实施例置于三脚架上，整平。一号主观测线6-1a调整到初始主垂直角，主度盘11给出初始主垂直角α。水平回转平台2转动至起始扫描位置。水平度盘3给出初始角度。一号副观测装置7-1被驱动，直至在内置CCD数字相机在一号主观测线6-1a上观察到一号副观测装置7-1照射到被扫描物体上的激光照射点，副度盘12给出副垂直角β值，完成第一点测量。而后，水平回转平台2自动转动某个角度，重复上述过程，完成第二点测量。以此类推，直至完成该层扫描。之后，一号主观测装置6-1自动调整主垂直角，重复上述过程，进行下一层的扫描，直至完成全部层扫描。

由于主交点和副交点之间的距离h是确定的，根据副垂直度盘12给出的副垂直角β的值，最后通过数据处理部分获得每一扫描点与主交点之间的距离S值。

实施例2

见图4至图6，实施例2具有基座1、水平回转平台2、支架4和竖轴9，支架4固定在水平回转平台2上，竖轴9与基座1固定连接，水平回转平台2处于基座1上且围绕竖轴9的轴心线9a旋转，支架4上设有相互平行的水平的且各能围绕自身轴心线进行旋转的主横轴5和副横轴8；主横轴5的轴心线5a与竖轴9的轴心线9a相交，形成主交点；副横轴8的轴心线8a与竖轴9的轴心线9a相交，形成副交点；在主横轴5上固定有二号主观测装置6-2，二号主观测装置6-2为一激光器，其光轴称为二号主观测线6-2a；二号主观测线6-2a通过主交点且垂直于主横轴5的轴心线5a；在副横轴8上固定有二号副观测装置7-2，二号副观测装置7-2为一内置CCD数字相机的望远镜，其视准轴称为二号副观测线7-2a；二号副观测线7-2a通过副交点且垂直于副横轴8的轴心线8a；二号主观测线6-2a和二号副观测线7-2a处于同一铅垂面；竖轴9与水平回转平台2之间安装有水平度盘3，主横轴5和支架4相应部位之间安装主度盘11，副横轴8和支架4相应部位之间安装副度盘12；上述水平回转平台2、主横轴5和副横轴8的旋转分别由各电机驱动，电机或是伺服电机或是超声电机。

水平度盘3给出水平回转平台2的水平回转角。主度盘11用于测量主观测线6-2a与竖向轴线9a之间的夹角即主垂直角α的大小。副度盘12用于测量副观测线7-2a与竖向轴线9a所夹之角即副垂直角β的大小。

主横轴5旋转带动二号主观测装置6-2作俯仰，副横轴8旋转带动二号副观测装置7-2作俯仰。二号主观测装置6-2和二号副观测装置7-2能随水平回转平台2的回转而同步水平回转。当二号主观测装置6-2和二号副观测装置7-2在俯仰时，主观测线6-2a和副观测线7-2a可交会于目标点。

本实施例还具有电源部分、数据处理部分、通讯接口、及显示屏、键盘等。

在被扫描物体外某点，将本实施例置于三脚架上，整平。二号主观测线6-2a调整到初始主垂直角，主度盘11给出初始主垂直角α。水平回转平台2转动至起始扫描位置。水平度盘3给出初始角度。二号副观测装置7-2被驱动，直至在内置CCD数字相机在二号副观测线7-2a上观察到二号主观测装置6-2照射到被扫描物体上的激光照射点，副度盘12给出副垂直角β值，完成第一点测量。而后，水平回转平台2自动转动某个角度，重复上述过程，完成第二点测量。以此类推，直至完成该层扫描。之后，二号主观测装置6-2自动调整主垂直角，重复上述过程，进行下一层的扫描，直至完成全部层扫描。

由于主交点和副交点之间的距离h是确定的，根据副垂直度盘12给出的副垂直角β的值，最后通过数据处理部分获得每一扫描点与主交点之间的距离S值。

实施例3

见图7至图9，实施例3具有基座1、水平回转平台2、支架4和竖轴9，支架4固定在水平回转平台2上，竖轴9与基座1固定连接，水平回转平台2处于基座1上且围绕竖轴9的轴心线9a旋转，支架4上设有相互平行的水平的且各能围绕自身轴心线进行旋转的主横轴5和副横轴8；主横轴5的轴心线5a与竖轴9的轴心线9a相交，形成主交点；副横轴8的轴心线8a与竖轴9的轴心线9a相交，形成副交点；在主横轴5上固定有三号主观测装置6-3，三号主观测装置6-3为一激光器，其光轴称为三号主观测线6-3a；三号主观测线6-3a通过主交点且垂直于主横轴5的轴心线5a；在副横轴8上固定有三号副观测装置7-3，三号副观测装置7-3为一激光器，其光轴称为三号副观测线7-3a；三号副观测线7-3a通过副交点且垂直于副横轴8的轴心线8a；三号主观测线6-3a和三号副观测线7-3a处于同一铅垂面；在支架4上设有CCD数字相机14；竖轴9与水平回转平台2之间安装有水平度盘3，主横轴5和支架4相应部位之间安装主度盘11，副横轴8和支架4相应部位之间安装副度盘12；上述水平回转平台2、主横轴5和副横轴8的旋转分别由各电机驱动，电机或是伺服电机或是超声电机。

水平度盘3给出水平回转平台2的水平回转角。主度盘11用于测量主观测线6-3a与竖向轴线9a之间的夹角即主垂直角α的大小。副度盘12用于测量副观测线7-3a与竖向轴线9a所夹之角即副垂直角β的大小。

主横轴5旋转带动三号主观测装置6-3作俯仰，副横轴8旋转带动三号副观测装置7-3作俯仰。三号主观测装置6-3和三号副观测装置7-3能随水平回转平台2的回转而同步水平回转。当三号主观测装置6-3和三号副观测装置7-3在俯仰时，主观测线6-3a和副观测线7-3a可交会于目标点。

本实施例还具有电源部分、数据处理部分、通讯接口、及显示屏、键盘等。

在被扫描物体外某点，将本实施例置于三脚架上，整平。三号主观测线6-3a调整到初始主垂直角，主度盘11给出初始主垂直角α。水平回转平台2转动至起始扫描位置。水平度盘3给出初始角度。三号副观测装置7-3被驱动，直至在CCD数字相机14只观测到一个激光照射点，说明三号主观测线6-3a和三号副观测线7-3a交会到一点，副度盘12给出副垂直角β值，完成第一点测量。而后，水平回转平台2自动转动某个角度，重复上述过程，完成第二点测量。以此类推，直至完成该层扫描。之后，三号主观测装置6-3自动调整主垂直角，重复上述过程，进行下一层的扫描，直至完成全部层扫描。

由于主交点和副交点之间的距离h是确定的，根据副垂直度盘12给出的副垂直角β的值，最后通过数据处理部分获得每一扫描点与主交点之间的距离S值。

上述实施例中提到内置CCD数字相机望远镜，可见何保喜主编，黄河水利出版社2005年8月出版之《全站仪测量技术》第二章。另见梅文胜、杨红著，武汉大学出版社2011年11月出版之《测量机器人开发与应用》第2章。