基于單片機光柵雙讀數頭的三維激光掃描測量系統技術方案

基于單片機光柵雙讀數頭的三維激光掃描測量系統屬于三維空間信息獲取技術領域，它解決了該領域建立三維激光掃描測量系統中的高精度轉角測量及控制技術難題。該系統利用成熟的２Ｄ激光掃描測量技術，通過應用單片機、光柵和雙讀數頭構建了可以消除或減弱偏心誤差影響的轉角測量單元；實現了系統中的轉臺旋轉控制、轉角測量控制、激光測量控制的協調同步，組建了一個三維激光掃描測量系統。此發明專利技術可以進行室內室外的三維空間數據的快速采集，為規劃、文物保護、測繪、公安刑偵勘察、交通等部門提供一個進行快速三維空間數據采集的技術設備平臺。

【技術實現步驟摘要】

該專利技術屬于三維空間信息獲取

技術介紹
三維空間信息獲取技術是構建數字城市、數字地球中的關鍵技術之一。如何快速地獲取所研究對象的高精度的三維數據就變得非常重要。就光學遙感系統而言，三維數據獲取方式主要分為三維點數據獲取、三維線數據獲取和三維面數據獲取。激光測量技術既可用來進行三維點數據獲取，也可用來進行三維線數據獲取和進行三維面數據獲取。采用了激光測距技術的全站儀就可用來進行三維點數據獲取，全站儀屬于三維點數據激光測量儀器。在激光點距測量的基礎上，如果能夠在一個平面內控制激光點的發射方向，則可進行三維線數據獲取，2D激光掃描測距儀就屬于這類的傳感器，它能夠被用來進行三維線數據獲取。如果進一步在2D激光掃描測距儀的基礎上，增加在與2D激光掃描測距儀的掃描面相垂直的平面內的旋轉控制，則可構成三維激光掃描測量系統。三維激光掃描測量系統可以完成三維面數據獲取。 目前市場上的三維激光掃描測量系統技術復雜、價格昂貴，限制了三維激光測量技術的推廣應用。相比而言，2D激光掃描測距儀的價格則相對低廉。如何利用成熟的2D激光掃描測距儀技術發展一種精度較高、價格較低的三維激光掃描測量系統是非常必要的。因此必須解決高精度的轉角測量問題和不同設備之間的時間同步問題。轉角測量通常采用2種方式，即電機的轉動周數測量方式和轉盤的實際轉動角測量方式。電機的轉動周數測量方式存在機械傳動誤差，或電機丟步和多步產生的計數誤差；實際轉動角測量方式通常采用測量圓弧來求出對應的轉角的方法，因而存在偏心誤差的影響。從理論上來說，實際轉動角測量方式的可靠性更高，但需要解決偏心誤差的影響問題。正是在這樣的技術背景下，本專利技術提出了基于單片機光柵雙讀數頭的三維激光掃描測量系統，可以較好地解決轉角測量中偏心誤差的影響。
技術實現思路
基于單片機光柵雙讀數頭的三維激光掃描測距系統主要由機械旋轉臺單元、高精度轉角測量單元、2D激光掃描測距單元、單片機控制單元、上位機等組成(參見附圖1、附圖2)。 機械旋轉臺單元由機械旋轉臺轉盤(1)、機械傳動裝置(7)、伺服電機(8)組成。 高精度轉角測量單元由光柵(2)、讀數頭(3)和(4) 、 (5)組成。 在該系統中，上位機(6)進行系統的協調同步控制，負責接收2D激光掃描測距單元(9)的測量數據和高精度轉角測量單元的測量數據；單片機控制單元(5)根據上位機的指令負責控制機械旋轉臺的運動及處理兩個光柵讀數頭(3)和(4)的計數，向上位機傳送機械旋轉臺轉盤(1)的轉角信息；2D激光掃描測距單元固定在機械旋轉臺轉盤之上，其負責在豎直方向進行激光測量；機械旋轉臺則負責水平方向上的轉動，使系統完成三維激光測量；高精度轉角測量單元則進行機械旋轉臺的轉動角測量。 高精度轉角測量及控制技術是三維激光測量系統中的關鍵技術之一。在本專利技術中，采用了光柵和雙讀數頭組合技術，光柵(尺)固定于機械旋轉臺轉盤的外圓周上，兩個讀數頭分別安裝在通過機械旋轉臺轉盤兩側的直徑的延長線上。單片機用來處理兩個特殊放置的讀數頭的計數值，通過這樣的設計和數據處理可以消除或減弱由于機械旋轉臺轉盤中心與其實際旋轉中心之間的偏心所引起的轉角測量誤差，從而提高了轉角測量的精度。 在本專利技術中，設計由單片機控制伺服電機帶動機械旋轉臺轉動，其轉角測量由單片機進行時間控制，而2D激光掃描測距儀由其內部的時鐘系統進行時間控制，因此必須解決轉角測量與2D激光測量在時間上的同步問題。本系統的思路是，系統時間同步由上位機進行控制，以上位機時間為基準，將單片機時間和2D激光掃描測距儀時間進行同步，通過采用加時間戳的方式來實現轉角測量與2D激光掃描測量的時間同步。附圖說明 附1為系統俯視圖，附2為系統側視圖。 在圖1、圖2中，(1)為系統的機械旋轉臺轉盤；(2)為光柵尺；(3)禾P (4)為讀數頭；(5)為單片機控制裝置；(6)為上位機；(7)為機械傳動機構；(8)為伺服電機；(9)為2D激光掃描測距儀。具體實施例方式本專利技術的具體實施方式為由(1)、 (7)、 (8)組成旋轉臺機械部分，(1)與(7)固連，(7)與(8)固連，由(5)控制(8)通過(7)帶動(1)進行轉動；(2)固連于(1)的外圓周上，由(2) 、 (3) 、 (4)和(5)組成轉角測量部分；(9)固連于(1)上，通過(1)帶動(9)的轉動；(6)通過(5)控制旋轉臺轉動和控制轉角測量，同時(6)控制(9)進行激光測量，實現轉角測量與激光測量的同步，組成三維激光測量系統。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
要求對該專利技術的技術方案進行保護。該專利技術的技術特征是：利用（１）、（７）、（８）組成系統的轉臺機械部分；利用（２）、（３）、（４）、（５）組成系統的高精度轉角測量部分；利用（９）作為系統的二維激光掃描測量部分；利用（６）進行系統的整體協調控制，從而形成一個基于單片機光柵雙讀數頭的三維激光掃描測量系統的技術方案。

【技術特征摘要】
要求對該發明的技術方案進行保護。該發明的技術特征是利用(1)、(7)、(8)組成系統的轉臺機械部分；利用(2)、(3)、(4)、(5)組成系統的高精度轉角...

【專利技術屬性】
技術研發人員：宮輝力，葉澤田，
申請(專利權)人：首都師范大學，北京四維遠見信息技術有限公司，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]