一种基于摆动激光雷达的可变视野三维重建装置的制作方法

本发明涉及地理信息数据采集领域、环境三维形貌测绘领域，具体地，涉及一种基于摆动激光雷达的可变视野三维重建装置。

背景技术：

随着移动机器人产业的快速发展，越来越多的智能设备投入到非结构化环境的工作中去，环境三维感知与测量的需求日益增长。其中，由于各类智能车辆在行驶时对道路、建筑等信息依赖度较高，因而室外环境中的三维重建显得更为重要。

在目前的各类三维测量装置中，激光雷达凭借其精度高、稳定性好的特点得到了广泛采用。但传统采用的多线激光雷达价格较高，且结果点云稀疏，仅能覆盖激光扫描线所在区域，无法满足大范围三维测量的需求。因此，许多装置通过采用成本较低的单线激光雷达，将激光雷达扫描平面在空间中进行摆动，并对各个位姿下的测量数据进行拼接，从而得到高密度的空间三维点云。

但室外环境的三维重建需求复杂，现有装置很难满足。一方面，在室外除了正上方的天空和正下方的平地，其他方向均有着有用信息，而目前的摆动装置大多因机构限制无法进行全向扫描，只能进行小范围的空间测量，不能一次性完成对重要信息的重建；另一方面，不同场景、不同应用对测量结果的需求也各不相同，在狭窄环境中测量装置需对近处的信息进行覆盖，而在宽阔的环境下远处的信息更需要得到重点扫描，但现有的装置视野范围和结果点云的分布大多是固定的，无法根据需求进行调节，很难适应不同的测量情况。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的使提供一种基于摆动激光雷达的可变视野三维重建装置，通过将激光雷达进行全向摆动扫描，并对装置的视野范围和结果点云分布进行调节，满足不同测量情况下的室外环境三维重建需求。

为达到以上目的，本发明的具体技术方案如下：

本发明提供一种基于摆动激光雷达的可变视野三维重建装置，包括激光雷达摆动机构、机构运动控制模块以及三维点云重建模块；

所述激光雷达摆动机构，用于完成单线激光雷达扫描平面的全向摆动，对视野范围和结果点云分布进行调节，并将单线激光雷达在各位姿下的空间三维测量数据信息发送给三维点云重建模块；所述激光雷达摆动机构包括单线激光雷达、激光雷达中心固定机构、激光雷达摆动控制机构，其中：单线激光雷达固定在激光雷达中心固定机构上，用于采集各位姿下的空间三维信息，并将各位姿下的空间三维测量数据发送到三位点云重建模块；激光雷达摆动控制机构由依次铰接连接的上部传动杆、中部传动杆和下部主动杆组成，上部传动杆固定在激光雷达中心固定机构上，下部主动杆的上下位移通过中部传动杆、上部传动杆带动固定在激光雷达中心固定机构上的单线激光雷达运动，实现单线激光雷达扫描平面的倾角调整，从而调节所述装置的视野；下部主动杆的旋转运动通过中部传动杆、上部传动杆带动固定在激光雷达中心固定机构上的单线激光雷达进行全向摆动，从而完成单线激光雷达全向扫描；

所述机构运动控制模块连接激光雷达摆动机构，用于控制激光雷达摆动机构的运动，并对激光雷达摆动机构位姿进行实时反馈，同时将单线激光雷达的实时位姿数据信息发送到三维点云重建模块；

所述三维点云重建模块分别与激光雷达摆动机构和机构运动控制模块连接，用于接收激光雷达摆动机构所发送的单线激光雷达在各位姿下的空间三维测量数据和机构运动控制模块所发送的单线激光雷达实时位姿数据信息，并根据点云拼接算法对接收到的信息进行重建，实现对空间三维形貌的还原。

优选地，所述激光雷达中心固定机构包括底座、中框、激光雷达托架和四根短轴，其中：底座由一块水平隔板、两块竖直板以及两块加固板组成，在水平隔板上开有孔，在两块竖直板上端分别开有一个轴承孔；中框的两侧分别固定一根短轴并通过滚动轴承分别安装在底座的两块竖直板上的两个轴承孔内，中框的另外两侧分别开有一个轴承孔；激光雷达托架的两侧分别固定一根短轴并通过滚动轴承分别安装在中框上的两个轴承孔内；单线激光雷达安装固定在激光雷达托架上，并在激光雷达托架底部开有轴承孔。

更优选地，所述激光雷达托架上两个短轴的轴线与中框上两个短轴的轴线相互垂直，以形成一个万向支架，两个轴线交点位置固定从而使单线激光雷达中心位置固定，并能承受单线激光雷达的大部分重量，但不影响单线激光雷达在激光雷达摆动控制机构带动下进行全向摆动。

更优选地，所述激光雷达摆动控制机构中：上部传动杆的一端通过滚珠轴承安装在激光雷达托架底部的轴承孔中，上部传动杆的另一端与中部传动杆的一端铰接连接，中部传动杆的另一端与下部主动杆的一端铰接连接，下部主动杆的一端过滑动轴承安装在激光雷达中心固定机构中底座的水平隔板上的孔中并与机构运动控制模块连接。

优选地，所述上部传动杆与中部传动杆、中部传动杆与下部主动杆之间的铰接连接，是指：在上部传动杆、下部主动杆、中部传动杆的对应连接端设置槽与孔，并通过螺栓铰接连接。

优选地，所述机构运动控制模块，包括滚珠丝杠滑台导轨模组、电机、编码器、电机驱动器与单片机；其中：电机与编码器安装在滚珠丝杠滑台导轨模组上，电机与激光雷达摆动控制机构中的下部主动杆连接；所述电机驱动器与电机相连，用于对电机进行转动控制；单片机与滚珠丝杠滑台导轨模组中的步进电机相连，通过PWM信号控制、方向控制信号完成对滚珠丝杠滑台导轨模组位移的控制；单片机与编码器相连，读取编码器数值，同时单片机与三维点云重建模块进行激光雷达实时位姿数据的通信。

更优选地，所述滚珠丝杠滑台导轨模组的上下位移带动下部主动杆上下位移，从而实现单线激光雷达扫描平面倾角的控制；通过电机的转动带动下部主动杆的旋转，从而实现单线激光雷达的全向摆动。

更优选地，所述机构运动控制模块中的单片机通过编码器的读数与滚珠丝杠滑台导轨模组的位置，推算出单线激光雷达的扫描平面倾角与摆动转角，并通过运动学算法计算得到单线激光雷达的实时位姿。

优选地，所述单线激光雷达在各个位姿下对扫描平面进行测量，并将空间三维测量数据实时传输给三维点云重建模块；所述机构运动控制模块中的单片机通过滚珠丝杠滑台导轨模组的位置计算单线激光雷达的倾斜角度，通过编码器的读数计算单线激光雷达的摆动角度，以此计算出单线激光雷达的实时位姿，并传输给三维点云重建模块。

更优选地，所述三维点云重建模块通过数据线与单线激光雷达相连，接收单线激光雷达在各位姿下的空间三维测量数据，同时通过USB串口与单片机相连，接收单片机所计算的单线激光雷达实时位姿。

更优选地，所述三维点云重建模块在接收到单线激光雷达发送的扫描测量数据和单片机发送的对应实时位姿数据后，将各帧点云变换到对应位置并进行叠加，从而完成对三维点云的重建。

与现有技术对比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明能够对激光雷达的视野范围和结果点云的空间分布进行调节，完成对空间中不同距离处三维形貌的重点测量；

(2)本发明能够完成激光雷达的全向摆动扫描，能够一次性完成空间主要信息的测量，操作方便、结果稳定；

(3)本发明能够搭载大质量、高功率的激光雷达，从而完成大范围三维重建；

(4)本发明提供了完整的控制反馈与点云拼接系统，使用简单、集成度高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所做的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的结构框图；

图2为本发明一实施例的激光雷达中心固定机构三维示意图；

图3为本发明一实施例的激光雷达摆动机构与机构运动控制模块中部分元件安装方式三维示意图；

图4为本发明一实施例的激光雷达摆动控制方式示意图；

图5a、5b为本发明一实施例的点云重建效果示意图；

图中：1为三维点云重建模块，2为单片机，3为编码器，4为滑台模组(滚珠丝杠滑台导轨模组的简称)，5为电机驱动器，6为电机，7为单线激光雷达，8为底座，9为两根外部短轴，10为中框，11为两根内部短轴，12为激光雷达托架，13为下部主动杆，14为中部传动杆，15为上部传动杆，16为电机架，17为齿轮组，18为定位杆，A为激光雷达固定中心，B为可调节视野范围。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于摆动激光雷达的可变视野三维重建装置，包括：激光雷达摆动机构、机构运动控制模块以及三维点云重建模块1，三维点云重建模块1与机构运动控制模块之间通过USB串口进行通信，三维点云重建模块1与激光雷达摆动机构之间通过以太网数据线进行通信。其中：

所述激光雷达摆动机构，用于完成激光雷达扫描平面的全向摆动，对视野范围和结果点云分布进行调节，并将激光雷达在各位姿下的空间三维测量数据信息发送给三维点云重建模块；

所述机构运动控制模块，用于控制激光雷达摆动机构的运动，并对激光雷达摆动机构位姿进行实时反馈，同时将激光雷达的实时位姿数据信息发送到三维点云重建模块；

所述三维点云重建模块，用于接收激光雷达摆动机构所发送的激光雷达在各位姿下的空间三维测量数据和机构运动控制模块所发送的激光雷达实时位姿数据信息，并根据点云拼接算法对接收到的信息进行重建，实现对空间三维形貌的还原。

进一步的，所述激光雷达摆动机构包括单线激光雷达7、激光雷达中心固定机构和激光雷达摆动控制机构；单线激光雷达为三维点云数据采集设备，激光雷达中心固定机构承受激光雷达重量并固定激光雷达中心，激光雷达摆动控制机构实现激光雷达视野范围的调节并带动其全向摆动；其中：

单线激光雷达7安装在激光雷达中心固定机构的上部，用于采集各位姿下的空间三维信息，并将各位姿下的空间三维测量数据发送到三位点云重建模块；

激光雷达摆动控制机构安装在激光雷达中心固定机构的中部；

激光雷达摆动控制机构由依次铰接连接的上部传动杆、中部传动杆和下部主动杆组成，上部传动杆固定在激光雷达中心固定机构上，下部主动杆的上下位移通过中部传动杆、上部传动杆带动固定在激光雷达中心固定机构上的单线激光雷达运动，实现单线激光雷达扫描平面的倾角调整，从而调节所述装置的视野；下部主动杆的旋转运动通过中部传动杆、上部传动杆带动固定在激光雷达中心固定机构上的单线激光雷达进行全向摆动，从而完成单线激光雷达全向扫描。

如图2所示，作为一优选实施方式，所述激光雷达中心固定机构包括：底座8，两根外部短轴9，中框10，两根内部短轴11，激光雷达托架12；其中：

底座8由一块水平隔板、两块竖直板以及两块加固板组成，在水平隔板上开有孔，在两块竖直板上端相对位置分别开有一个轴承孔；中框10的两侧的对应位置分别开有一个轴承孔，中框10的另外两侧分别与一根外部短轴9固定，并通过滚动轴承安装在底座8的两块竖直板上端轴承孔内；激光雷达托架12与两根内部短轴11固定，并通过滚动轴承安装在中框10上的两个轴承孔内；单线激光雷达7通过螺栓安装固定在激光雷达托架12上，并在激光雷达托架12上开有轴承孔。

作为一种优选方式，激光雷达托架12上两轴与中框10上两轴相互垂直。这一设计形成了一个万向支架，使两轴交点位置固定从而令单线激光雷达7中心位置固定，并能承受单线激光雷达7的大部分重量，但不影响单线激光雷达7在所述激光雷达摆动控制机构带动下进行的全向摆动。

如图3所示，在一优选实施方式中，所述激光雷达摆动控制机构包括：下部主动杆13、中部传动杆14和上部传动杆15，其中：

下部主动杆13上端与中部传动杆14下端通过螺栓铰接、中部传动杆14上端与上部传动杆15下端通过螺栓铰接，同时上部传动杆15上端通过轴承安装在激光雷达托架12下部的轴承孔中，下部主动杆13通过滑动轴承安装在底座8的水平隔板上的孔中，下部主动杆13下端通过刚性联轴器与电机6的转轴连接；电机6转轴的转动带动下部主动杆13转动，通过中部传动杆14、上部传动杆15带动激光雷达托架12转动，从而带动安装在激光雷达托架12上的单线激光雷达7转动。

如图1、3所示，作为一优选实施方式，所述机构运动控制模块包括单片机2、编码器3、滑台模组4、电机驱动器5和电机6。编码器3、滑台模组4和电机6安装在激光雷达中心固定机构的下部。

所述机构运动控制模块中：滑台模组4通过螺栓安装固定在底座8的水平隔板下侧，电机6与编码器3均固定在电机架16上，电机6与编码器3之间通过齿轮组17进行传动，电机架16安装在滑台模组4上，电机6与激光雷达摆动控制机构的下部主动杆13通过刚性联轴器连接，定位杆18通过螺栓安装固定在底座8的水平隔板上并通过滑动轴承对电机架16进行定位与加固。

作为一种优选方式，所述机构运动控制模块中：单片机2通过模拟时钟引脚和数据读取引脚完成对编码器3的读数，并产生PWM信号和方向控制信号驱动滑台模组4上的步进电机运动，同时单片机2通过USB串口与三维点云重建模块1进行单线激光雷达7实时位姿数据的通信。在一实施例中单片机2向三维点云重建模块1发送单线激光雷达7位姿信息的频率为10Hz。

作为一种优选方式，所述机构运动控制模块中：电机驱动器5使用的是伺服电机驱动器，电机6使用的是直流伺服电机，电机驱动器5与电机6通过电机驱动信号线相连，从而实现对电机6的转动控制。

作为一种优选方式，所述激光雷达摆动机构和机构运动控制模块能够实现如图4所示的激光雷达摆动控制。由于单线激光雷达7的中心被固定，通过滑台模组4的上下运动从而带动下部主动杆13的上下位移，可以调节单线激光雷达7的扫描平面倾斜角度；通过电机6的转动带动下部主动杆13的旋转，可以控制单线激光雷达7进行全向摆动。

所述单线激光雷达7在各个位姿下对扫描平面进行测量，并将在各位姿下的测量数据实时传输给三维点云重建模块1；所述机构运动控制模块中的单片机2通过滑台模组4的位置计算单线激光雷达7的倾斜角度，通过编码器3的读数计算单线激光雷达7的摆动角度，以此计算出单线激光雷达7的实时位姿，并传输给三维点云重建模块1。

所述三维点云重建模块1在接收到单线激光雷达7发送的扫描测量数据和单片机2发送的对应实时位姿数据后，即可将各帧数据变换到对应位姿，完成空间点云的拼接与重建。点云重建效果如图5a、5b所示，图5a扫描平面倾角为45°，图5b扫描平面倾角为20°，其中：通过调节单线激光雷达7的扫描平面倾角，能够调整结果点云的视野范围与点云分布，从而实现对不同位置三维信息的重点检测。

本发明装置可以根据不同的测量场景调节激光雷达扫描平面倾角，从而对结果的视野范围和点云分布进行调整。在倾角较大时，如图5a所示，能够得到更大的视野范围，从而更多地扫描到近处物体；在倾角较小时，如图5b所示，虽然视野范围更小但点云密度更高，能够更好地还原远处景物，满足不同测量情况下的室外环境三维重建需求。

以上对本发明的优选实施例进行了详细描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形、替代或修改，这并不影响本发明的实质内容，本发明的保护范围应如权利要求书所列。