基于2d激光雷達(dá)的便攜式三維掃描裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供基于2D激光雷達(dá)的便攜式三維掃描裝置，包括2D激光雷達(dá)、微控制器、步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、編碼器、串口通信板、供電電源、導(dǎo)電滑環(huán)和PC機(jī)；編碼器的輸出端和2D激光雷達(dá)的同步信號(hào)端連接微控制器的數(shù)據(jù)輸入端，微控制器的數(shù)據(jù)輸出端連接串口通信板的輸入端，微控制器的控制端連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入端，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出端連接步進(jìn)電機(jī)的輸入端，串口通訊板的數(shù)據(jù)輸出端通過(guò)USB集線器連接PC機(jī)，2D激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)輸出端通過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)和USB集線器連接PC機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電源端和2D激光雷達(dá)的電源端連接供電電源；本發(fā)明裝置構(gòu)成合理、簡(jiǎn)潔，使用便捷，可以快速地進(jìn)行三維掃描，成本低、操作簡(jiǎn)單、使用方便。
【專利說(shuō)明】
基于2D激光雷達(dá)的便攜式三維掃描裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于三維重建技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于2D激光雷達(dá)的便攜式三維掃描 裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 三維重建技術(shù)可以在計(jì)算機(jī)中逼真地建立客觀世界的虛擬信息空間，生成具有重 要價(jià)值的三維形狀信息。通過(guò)對(duì)這些三維形狀信息分析、挖掘、檢索和高效利用，可以滿足 例如數(shù)字工廠、數(shù)字城市、數(shù)字礦山、文物重建、災(zāi)情預(yù)警等許多重大應(yīng)用的需求。目前主流 的三維重建技術(shù)根據(jù)硬件使用的不同主要分為兩類。一類是利用數(shù)字相機(jī)拍攝多個(gè)視角的 圖像來(lái)進(jìn)行三維重建。這種重建技術(shù)首先要對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，然后利用多個(gè)二維圖像中的 信息重建出三維信息。但是由于相機(jī)拍攝受光照的影響很大，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中遇到光線 昏暗的環(huán)境，會(huì)嚴(yán)重影響最終的重建效果。第二類是基于LiDAR/Kinect等深度傳感器的三 維重建。其中基于Kinect的三維重建應(yīng)用比較多，其主要適用于室內(nèi)場(chǎng)景的三維重建，但是 其測(cè)量精度與測(cè)量范圍都遜色于激光傳感器，無(wú)法應(yīng)用于大范圍的室外場(chǎng)景重建。激光傳 感器的優(yōu)勢(shì)是精度高，對(duì)光照不敏感，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的基于激光雷達(dá)的三維重建技術(shù)首先需要 提前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，根據(jù)掃描目標(biāo)以及周圍環(huán)境預(yù)先設(shè)定好幾個(gè)掃描站，然后在選好掃描 站上架設(shè)激光掃描儀，掃描一定時(shí)間后將數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處理生成三維模型。整個(gè)過(guò)程耗費(fèi) 人力、時(shí)間，并且掃描儀器價(jià)格不菲，同時(shí)體積較大不易于攜帶。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種基于2D激光雷達(dá)的便攜式三維掃描裝置。 [0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0005] 基于2D激光雷達(dá)的便攜式三維掃描裝置，包括運(yùn)動(dòng)控制單元和PC機(jī)；
[0006] 所述運(yùn)動(dòng)控制單元，包括2D激光雷達(dá)、微控制器、步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、編碼器、 串口通信板、供電電源、導(dǎo)電滑環(huán)和PC機(jī)；
[0007] 所述編碼器的輸出端和2D激光雷達(dá)的同步信號(hào)端連接微控制器的數(shù)據(jù)輸入端，所 述微控制器的數(shù)據(jù)輸出端連接串口通信板的輸入端，所述微控制器的控制端連接電機(jī)驅(qū)動(dòng) 器的輸入端，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出端連接步進(jìn)電機(jī)的輸入端，所述串口通訊板的數(shù)據(jù)輸 出端通過(guò)USB集線器連接PC機(jī)，所述2D激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)輸出端通過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)和USB集線器連 接PC機(jī)，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電源端和2D激光雷達(dá)的電源端連接供電電源；
[0008] 所述2D激光雷達(dá)通過(guò)螺栓固定于激光支架上，所述激光支架通過(guò)螺母連接有一個(gè) 連接軸，所述激光支架的連接軸通過(guò)聯(lián)軸器連接步進(jìn)電機(jī)的機(jī)軸前端，所述編碼器固定于 步進(jìn)電機(jī)的機(jī)軸后端，所述導(dǎo)電滑環(huán)固定于激光支架的連接軸上。
[0009] 優(yōu)選地，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于通過(guò)微控制器的控制信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0010]所述步進(jìn)電機(jī)，用于由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制轉(zhuǎn)動(dòng)，控制激光支架以及2D激光雷達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0011]所述2D激光雷達(dá)，用于在步進(jìn)電機(jī)控制下旋轉(zhuǎn)，測(cè)量激光與目標(biāo)物之間的距離P， 并將激光與目標(biāo)物之間的距離P和激光束夾角Θ發(fā)送至PC機(jī)，并發(fā)送脈沖信號(hào)至微控制器；
[0012] 所述編碼器，用于通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)記錄激光的旋轉(zhuǎn)角度於，并傳送至微控制 器；
[0013] 所述微控制器，用于發(fā)送控制信號(hào)至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并在采集到2D激光雷達(dá)的脈沖 信號(hào)時(shí)讀取編碼器測(cè)量的激光旋轉(zhuǎn)角度P，將編碼器測(cè)量的激光旋轉(zhuǎn)角度於發(fā)送至PC機(jī)；
[0014] 所述串口通信板，用于實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與微控制器之間的通訊；
[0015] 所述PC機(jī)，用于根據(jù)讀取編碼器測(cè)量的激光旋轉(zhuǎn)角度P、激光與目標(biāo)物之間的距離 P和激光束夾角Θ將目標(biāo)物的2D掃描距離轉(zhuǎn)換為3D點(diǎn)云；
[0016] 所述供電電源，用于為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和2D激光雷達(dá)提供12V直流電源；
[0017] 所述導(dǎo)電滑環(huán)，用于實(shí)現(xiàn)當(dāng)2D激光雷達(dá)連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)數(shù)據(jù)輸出線與PC機(jī)的連接。
[0018] 本發(fā)明的有益效果：
[0019] 本發(fā)明提出一種基于2D激光雷達(dá)的便攜式三維掃描裝置，本發(fā)明裝置構(gòu)成合理、 簡(jiǎn)潔，使用便捷，運(yùn)用基于2D激光雷達(dá)的便攜式三維掃描裝置可以快速地進(jìn)行三維掃描，成 本低、操作簡(jiǎn)單、使用方便。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中基于2D激光雷達(dá)的便攜式三維掃描裝置的結(jié)構(gòu)框 圖；
[0021] 圖2為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中基于2D激光雷達(dá)的便攜式三維掃描裝置的運(yùn)動(dòng)控制 單元的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖；
[0022] 其中，1-2D激光雷達(dá)，2-微控制器，3-步進(jìn)電機(jī)，4-電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，5-編碼器，6-串口 通信板，7-激光支架，8-聯(lián)軸器，9-導(dǎo)電滑環(huán)；
[0023] 圖3為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中激光支架的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 其中，71-激光底座固定孔，72-連接軸固定孔，73-激光出線孔，74-散熱孔；
[0025] 圖4為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中運(yùn)動(dòng)控制單元硬件連接示意圖；
[0026] 圖5為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中PC機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制單元的硬件連接示意圖；
[0027]圖6為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中三維點(diǎn)云生成示意圖；
[0028] (a)為2D激光雷達(dá)掃描時(shí)激光與目標(biāo)物之間的距離P和激光束夾角Θ ;
[0029] (b)為2D激光雷達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)的激光旋轉(zhuǎn)角度供c
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明【具體實(shí)施方式】加以詳細(xì)的說(shuō)明。
[0031] 一種基于2D激光雷達(dá)的便攜式三維掃描裝置，如圖1所示，包括運(yùn)動(dòng)控制單元和PC 機(jī)。
[0032] 運(yùn)動(dòng)控制單元包括2D激光雷達(dá)1、微控制器2、步進(jìn)電機(jī)3、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器4、編碼器5、 串口通信板6、供電電源、導(dǎo)電滑環(huán)9和PC機(jī)。
[0033]編碼器5的輸出端和2D激光雷達(dá)1的同步信號(hào)端連接微控制器2的數(shù)據(jù)輸入端，微 控制器2的數(shù)據(jù)輸出端連接串口通信板6的輸入端，微控制器2的控制端連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)器4的 輸入端，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器4的輸出端連接步進(jìn)電機(jī)3的輸入端，串口通訊板6的數(shù)據(jù)輸出端通過(guò) USB集線器連接PC機(jī)，2D激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)輸出端通過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)9和USB集線器連接PC機(jī)，電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器4的電源端和2D激光雷達(dá)1的電源端連接供電電源。
[0034]本實(shí)施方式中，運(yùn)動(dòng)控制單元的機(jī)械機(jī)構(gòu)圖如圖2所示。
[0035] 2D激光雷達(dá)1通過(guò)螺栓固定于激光支架7上，激光支架7通過(guò)螺母連接有一個(gè)連接 軸，驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)軸方向即為激光旋轉(zhuǎn)軸方向。激光支架7的連接軸通過(guò)聯(lián)軸器8連接步進(jìn)電 機(jī)3的機(jī)軸前端，編碼器5固定于步進(jìn)電機(jī)3的的機(jī)軸后端。2D激光雷達(dá)1的激光掃描平面距 離2D激光雷達(dá)1底部約60.5mm，連接軸位于激光掃描平面正中央位置，導(dǎo)電滑環(huán)9固定于激 光支架7的連接軸上。
[0036]本實(shí)施方式中，激光支架7的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。
[0037]激光支架7上設(shè)置有4個(gè)激光底座固定孔71用于固定2D激光雷達(dá)1，激光支架7下端 設(shè)置有16個(gè)散熱孔74,激光支架7上端設(shè)置有連接軸固定孔72,通過(guò)螺母固定連接軸，激光 支架7下端設(shè)置有激光出線孔73,2D激光雷達(dá)1的數(shù)據(jù)輸出線穿過(guò)激光出線孔73連接導(dǎo)電滑 環(huán)9〇
[0038]由于激光工作時(shí)處于360度連續(xù)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，本裝置還包括導(dǎo)電滑環(huán)9，導(dǎo)電滑環(huán)9固 定于激光支架7的連接軸上，用于實(shí)現(xiàn)2D激光雷達(dá)1的數(shù)據(jù)輸出線與PC機(jī)的連接。
[0039] 本實(shí)施方式中，導(dǎo)電滑環(huán)9為過(guò)孔式導(dǎo)電滑環(huán)9固定在激光支架7連接軸上，型號(hào)為 SNH012-12S，用于解決當(dāng)2D激光雷達(dá)1連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)數(shù)據(jù)輸出線與電源線纏繞的問(wèn)題。
[0040] 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器4,用于通過(guò)微控制器2的控制信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)3轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0041] 本實(shí)施方式中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器4的型號(hào)為HST-8325B?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整撥鈕開關(guān)的位置 選擇1~128細(xì)分精度，本實(shí)施例使用64細(xì)分，它的A+、A-、B+、B-端口分別連接兩相四線制步 進(jìn)電機(jī)3的A相、A '相、B相、B '相，它的VDC和GND端口分別連接供電電池的正負(fù)極，它的光耦 信號(hào)驅(qū)動(dòng)端VCC通過(guò)串口通訊板6的+5V端口供電。
[0042] 步進(jìn)電機(jī)3，用于由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器4控制轉(zhuǎn)動(dòng)，控制激光支架7以及2D激光雷達(dá)1轉(zhuǎn)動(dòng)。 [0043] 本實(shí)施方式中，步進(jìn)電機(jī)3為雙出軸步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為42BYGH4812。
[0044] 2D激光雷達(dá)1，用于在步進(jìn)電機(jī)3控制下旋轉(zhuǎn)，測(cè)量激光與目標(biāo)物之間的距離P，并 將激光與目標(biāo)物之間的距離P和激光束夾角Θ發(fā)送至PC機(jī)，并發(fā)送脈沖信號(hào)至微控制器2。
[0045] 本實(shí)施方式中，2D激光雷達(dá)1的型號(hào)為UTM-30LX。
[0046] 編碼器5,用于通過(guò)步進(jìn)電機(jī)3的轉(zhuǎn)動(dòng)記錄激光的旋轉(zhuǎn)角度命，并傳送至微控制器2。 [0047] 本實(shí)施方式中，編碼器5的型號(hào)為HEDL-5540。編碼器5為兩相1000線編碼器，它的 正負(fù)極分別連接串口通訊板6的+5V和GND端口進(jìn)行供電。
[0048]微控制器2,用于發(fā)送控制信號(hào)至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器4,并在采集到2D激光雷達(dá)1的脈沖信 號(hào)時(shí)讀取編碼器5測(cè)量的激光旋轉(zhuǎn)角度0，將編碼器5測(cè)量的激光旋轉(zhuǎn)角度於發(fā)送至PC機(jī)。 [0049] 本實(shí)施方式中，微控制器2為32位ARM微控制器，型號(hào)為STM32F103RBT6。其內(nèi)核是 Corte-M3,集成了定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、CAN、ADC、UART等多種功能，并且有A、B、C三個(gè)端口，每個(gè) 端口 16個(gè)管腳，如圖4所示，本實(shí)施例中用到了它的8個(gè)管腳，其中，TXl、RXl、3.3V、GDP^f 管腳分別連接串口通訊板6的1?0、了乂0、3.3￥、6冊(cè)，？04管腳連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)器4的脈沖信號(hào)端 PUL，PA0管腳連接編碼器5的信號(hào)線A，PB7管腳連接2D激光雷達(dá)1的脈沖信號(hào)線，PB9管腳連 接一個(gè)自鎖圓形按鈕開關(guān)。
[0050]串口通信板6，用于實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與微控制器2之間的通訊。
[0051 ] 本實(shí)施方式中，串口通信板6的型號(hào)為USB-TTL-V2.02。
[0052] PC機(jī)，用于根據(jù)讀取編碼器5測(cè)量的激光旋轉(zhuǎn)角度P、激光與目標(biāo)物之間的距離P和 激光束夾角Θ將目標(biāo)物的2D掃描距離轉(zhuǎn)換為3D點(diǎn)云。
[0053] 本實(shí)施方式中，PC機(jī)的型號(hào)為SurfacePrc^aPC機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制單元的硬件連接通過(guò) USB集線器實(shí)現(xiàn)，本實(shí)施方式中，USB集線器的型號(hào)為USB3.0 HUB，如圖5所示。PC機(jī)通過(guò)一個(gè) USB3.0 HUB分別接收來(lái)自串口通訊板6的miniUSB發(fā)送的激光旋轉(zhuǎn)角度P、2D激光雷達(dá)1USB 接口的激光與目標(biāo)物之間的距離P和激光束夾角Θ，并將其進(jìn)行同步融合生成3D點(diǎn)云。
[0054] 裝置三維點(diǎn)云生成示意圖如圖6所示。由（a)圖可知，PC機(jī)通過(guò)從2D激光雷達(dá)1得到 激光與目標(biāo)物之間的距離P和激光束夾角Θ，其中9 = 0.25*i*PI/180，ie[0，l，2，...，719]， Θ范圍在0度到180度之間。該角度表示激光每次掃描打出的720條掃描射線分別與第一條掃 描射線的夾角。以及由編碼器5測(cè)量的激光旋轉(zhuǎn)角度供，可以將2D掃描距離轉(zhuǎn)換為3D點(diǎn)云。 其中（a)為二維掃描平面上一點(diǎn)A，（b)為該平面繞y軸方向旋轉(zhuǎn)后得到A'，由此可以得到的 是# (x，y，z)的三維坐標(biāo)公式如式（1)所示：
[0056] 供電電源，用于為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器4和2D激光雷達(dá)1提供12V直流電源。
[0057] 本實(shí)施方式中，供電電源的型號(hào)為YSN-1211000。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于2D激光雷達(dá)的便攜式三維掃描裝置，其特征在于，包括運(yùn)動(dòng)控制單元和PC 機(jī)； 所述運(yùn)動(dòng)控制單元，包括2D激光雷達(dá)、微控制器、步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、編碼器、串口 通信板、供電電源、導(dǎo)電滑環(huán)和PC機(jī)； 所述編碼器的輸出端和2D激光雷達(dá)的同步信號(hào)端連接微控制器的數(shù)據(jù)輸入端，所述微 控制器的數(shù)據(jù)輸出端連接串口通信板的輸入端，所述微控制器的控制端連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的 輸入端，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出端連接步進(jìn)電機(jī)的輸入端，所述串口通訊板的數(shù)據(jù)輸出端 通過(guò)USB集線器連接PC機(jī)，所述2D激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)輸出端通過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)和USB集線器連接PC 機(jī)，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電源端和2D激光雷達(dá)的電源端連接供電電源； 所述2D激光雷達(dá)通過(guò)螺栓固定于激光支架上，所述激光支架通過(guò)螺母連接有一個(gè)連接 軸，所述激光支架的連接軸通過(guò)聯(lián)軸器連接步進(jìn)電機(jī)的機(jī)軸前端，所述編碼器固定于步進(jìn) 電機(jī)的機(jī)軸后端，所述導(dǎo)電滑環(huán)固定于激光支架的連接軸上。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于2D激光雷達(dá)的便攜式三維掃描裝置，其特征在于，所述電 機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于通過(guò)微控制器的控制信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)； 所述步進(jìn)電機(jī)，用于由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制轉(zhuǎn)動(dòng)，控制激光支架以及2D激光雷達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)； 所述2D激光雷達(dá)，用于在步進(jìn)電機(jī)控制下旋轉(zhuǎn)，測(cè)量激光與目標(biāo)物之間的距離P，并將 激光與目標(biāo)物之間的距離P和激光束夾角Θ發(fā)送至PC機(jī)，并發(fā)送脈沖信號(hào)至微控制器； 所述編碼器，用于通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)記錄激光的旋轉(zhuǎn)角度f(wàn)，并傳送至微控制器； 所述微控制器，用于發(fā)送控制信號(hào)至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并在采集到2D激光雷達(dá)的脈沖信號(hào) 時(shí)讀取編碼器測(cè)量的激光旋轉(zhuǎn)角度將編碼器測(cè)量的激光旋轉(zhuǎn)角度供發(fā)送至PC機(jī)； 所述串口通信板，用于實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與微控制器之間的通訊； 所述PC機(jī)，用于根據(jù)讀取編碼器測(cè)量的激光旋轉(zhuǎn)角度P、激光與目標(biāo)物之間的距離P和 激光束夾角Θ將目標(biāo)物的2D掃描距離轉(zhuǎn)換為3D點(diǎn)云； 所述供電電源，用于為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和2D激光雷達(dá)提供12V直流電源； 所述導(dǎo)電滑環(huán)，用于實(shí)現(xiàn)當(dāng)2D激光雷達(dá)連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)數(shù)據(jù)輸出線與PC機(jī)的連接。
【文檔編號(hào)】G01S17/89GK105866793SQ201610480172
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年6月27日
【發(fā)明人】方正, 李凱
【申請(qǐng)人】東北大學(xué)