基于2d激光雷達的便攜式三維掃描裝置的制造方法
【專利摘要】本發明提供基于2D激光雷達的便攜式三維掃描裝置，包括2D激光雷達、微控制器、步進電機、電機驅動器、編碼器、串口通信板、供電電源、導電滑環和PC機；編碼器的輸出端和2D激光雷達的同步信號端連接微控制器的數據輸入端，微控制器的數據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驅動器的輸入端，電機驅動器的輸出端連接步進電機的輸入端，串口通訊板的數據輸出端通過USB集線器連接PC機，2D激光雷達的數據輸出端通過導電滑環和USB集線器連接PC機，電機驅動器的電源端和2D激光雷達的電源端連接供電電源；本發明裝置構成合理、簡潔，使用便捷，可以快速地進行三維掃描，成本低、操作簡單、使用方便。
【專利說明】
基于2D激光雷達的便攜式三維掃描裝置
技術領域
[0001] 本發明屬于三維重建技術領域，具體涉及一種基于2D激光雷達的便攜式三維掃描 裝置。
【背景技術】
[0002] 三維重建技術可以在計算機中逼真地建立客觀世界的虛擬信息空間，生成具有重 要價值的三維形狀信息。通過對這些三維形狀信息分析、挖掘、檢索和高效利用，可以滿足 例如數字工廠、數字城市、數字礦山、文物重建、災情預警等許多重大應用的需求。目前主流 的三維重建技術根據硬件使用的不同主要分為兩類。一類是利用數字相機拍攝多個視角的 圖像來進行三維重建。這種重建技術首先要對相機進行標定，然后利用多個二維圖像中的 信息重建出三維信息。但是由于相機拍攝受光照的影響很大，在實際應用過程中遇到光線 昏暗的環境，會嚴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的三維重建應用比較多，其主要適用于室內場景的三維重建，但是 其測量精度與測量范圍都遜色于激光傳感器，無法應用于大范圍的室外場景重建。激光傳 感器的優勢是精度高，對光照不敏感，國內傳統的基于激光雷達的三維重建技術首先需要 提前進行現場勘查，根據掃描目標以及周圍環境預先設定好幾個掃描站，然后在選好掃描 站上架設激光掃描儀，掃描一定時間后將數據進行離線處理生成三維模型。整個過程耗費 人力、時間，并且掃描儀器價格不菲，同時體積較大不易于攜帶。
【發明內容】
[0003] 針對現有技術的不足，本發明提出一種基于2D激光雷達的便攜式三維掃描裝置。 [0004]本發明的技術方案是：
[0005] 基于2D激光雷達的便攜式三維掃描裝置，包括運動控制單元和PC機；
[0006] 所述運動控制單元，包括2D激光雷達、微控制器、步進電機、電機驅動器、編碼器、 串口通信板、供電電源、導電滑環和PC機；
[0007] 所述編碼器的輸出端和2D激光雷達的同步信號端連接微控制器的數據輸入端，所 述微控制器的數據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驅動 器的輸入端，所述電機驅動器的輸出端連接步進電機的輸入端，所述串口通訊板的數據輸 出端通過USB集線器連接PC機，所述2D激光雷達的數據輸出端通過導電滑環和USB集線器連 接PC機，所述電機驅動器的電源端和2D激光雷達的電源端連接供電電源；
[0008] 所述2D激光雷達通過螺栓固定于激光支架上，所述激光支架通過螺母連接有一個 連接軸，所述激光支架的連接軸通過聯軸器連接步進電機的機軸前端，所述編碼器固定于 步進電機的機軸后端，所述導電滑環固定于激光支架的連接軸上。
[0009] 優選地，所述電機驅動器，用于通過微控制器的控制信號控制步進電機轉動；
[0010]所述步進電機，用于由電機驅動器控制轉動，控制激光支架以及2D激光雷達轉動；
[0011]所述2D激光雷達，用于在步進電機控制下旋轉，測量激光與目標物之間的距離P， 并將激光與目標物之間的距離P和激光束夾角Θ發送至PC機，并發送脈沖信號至微控制器；
[0012] 所述編碼器，用于通過步進電機的轉動記錄激光的旋轉角度於，并傳送至微控制 器；
[0013] 所述微控制器，用于發送控制信號至電機驅動器，并在采集到2D激光雷達的脈沖 信號時讀取編碼器測量的激光旋轉角度P，將編碼器測量的激光旋轉角度於發送至PC機；
[0014] 所述串口通信板，用于實現PC機與微控制器之間的通訊；
[0015] 所述PC機，用于根據讀取編碼器測量的激光旋轉角度P、激光與目標物之間的距離 P和激光束夾角Θ將目標物的2D掃描距離轉換為3D點云；
[0016] 所述供電電源，用于為電機驅動器和2D激光雷達提供12V直流電源；
[0017] 所述導電滑環，用于實現當2D激光雷達連續旋轉時數據輸出線與PC機的連接。
[0018] 本發明的有益效果：
[0019] 本發明提出一種基于2D激光雷達的便攜式三維掃描裝置，本發明裝置構成合理、 簡潔，使用便捷，運用基于2D激光雷達的便攜式三維掃描裝置可以快速地進行三維掃描，成 本低、操作簡單、使用方便。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明【具體實施方式】中基于2D激光雷達的便攜式三維掃描裝置的結構框 圖；
[0021] 圖2為本發明【具體實施方式】中基于2D激光雷達的便攜式三維掃描裝置的運動控制 單元的機械結構圖；
[0022] 其中，1-2D激光雷達，2-微控制器，3-步進電機，4-電機驅動器，5-編碼器，6-串口 通信板，7-激光支架，8-聯軸器，9-導電滑環；
[0023] 圖3為本發明【具體實施方式】中激光支架的結構示意圖；
[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為本發明【具體實施方式】中運動控制單元硬件連接示意圖；
[0026] 圖5為本發明【具體實施方式】中PC機與運動控制單元的硬件連接示意圖；
[0027]圖6為本發明【具體實施方式】中三維點云生成示意圖；
[0028] (a)為2D激光雷達掃描時激光與目標物之間的距離P和激光束夾角Θ ;
[0029] (b)為2D激光雷達旋轉時的激光旋轉角度供c
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖對本發明【具體實施方式】加以詳細的說明。
[0031] 一種基于2D激光雷達的便攜式三維掃描裝置，如圖1所示，包括運動控制單元和PC 機。
[0032] 運動控制單元包括2D激光雷達1、微控制器2、步進電機3、電機驅動器4、編碼器5、 串口通信板6、供電電源、導電滑環9和PC機。
[0033]編碼器5的輸出端和2D激光雷達1的同步信號端連接微控制器2的數據輸入端，微 控制器2的數據輸出端連接串口通信板6的輸入端，微控制器2的控制端連接電機驅動器4的 輸入端，電機驅動器4的輸出端連接步進電機3的輸入端，串口通訊板6的數據輸出端通過 USB集線器連接PC機，2D激光雷達的數據輸出端通過導電滑環9和USB集線器連接PC機，電機 驅動器4的電源端和2D激光雷達1的電源端連接供電電源。
[0034]本實施方式中，運動控制單元的機械機構圖如圖2所示。
[0035] 2D激光雷達1通過螺栓固定于激光支架7上，激光支架7通過螺母連接有一個連接 軸，驅動電機機軸方向即為激光旋轉軸方向。激光支架7的連接軸通過聯軸器8連接步進電 機3的機軸前端，編碼器5固定于步進電機3的的機軸后端。2D激光雷達1的激光掃描平面距 離2D激光雷達1底部約60.5mm，連接軸位于激光掃描平面正中央位置，導電滑環9固定于激 光支架7的連接軸上。
[0036]本實施方式中，激光支架7的結構示意圖如圖3所示。
[0037]激光支架7上設置有4個激光底座固定孔71用于固定2D激光雷達1，激光支架7下端 設置有16個散熱孔74,激光支架7上端設置有連接軸固定孔72,通過螺母固定連接軸，激光 支架7下端設置有激光出線孔73,2D激光雷達1的數據輸出線穿過激光出線孔73連接導電滑 環9〇
[0038]由于激光工作時處于360度連續旋轉狀態，本裝置還包括導電滑環9，導電滑環9固 定于激光支架7的連接軸上，用于實現2D激光雷達1的數據輸出線與PC機的連接。
[0039] 本實施方式中，導電滑環9為過孔式導電滑環9固定在激光支架7連接軸上，型號為 SNH012-12S，用于解決當2D激光雷達1連續旋轉時數據輸出線與電源線纏繞的問題。
[0040] 電機驅動器4,用于通過微控制器2的控制信號控制步進電機3轉動。
[0041] 本實施方式中，電機驅動器4的型號為HST-8325B。可以通過調整撥鈕開關的位置 選擇1~128細分精度，本實施例使用64細分，它的A+、A-、B+、B-端口分別連接兩相四線制步 進電機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極，它的光耦 信號驅動端VCC通過串口通訊板6的+5V端口供電。
[0042] 步進電機3，用于由電機驅動器4控制轉動，控制激光支架7以及2D激光雷達1轉動。 [0043] 本實施方式中，步進電機3為雙出軸步進電機，型號為42BYGH4812。
[0044] 2D激光雷達1，用于在步進電機3控制下旋轉，測量激光與目標物之間的距離P，并 將激光與目標物之間的距離P和激光束夾角Θ發送至PC機，并發送脈沖信號至微控制器2。
[0045] 本實施方式中，2D激光雷達1的型號為UTM-30LX。
[0046] 編碼器5,用于通過步進電機3的轉動記錄激光的旋轉角度命，并傳送至微控制器2。 [0047] 本實施方式中，編碼器5的型號為HEDL-5540。編碼器5為兩相1000線編碼器，它的 正負極分別連接串口通訊板6的+5V和GND端口進行供電。
[0048]微控制器2,用于發送控制信號至電機驅動器4,并在采集到2D激光雷達1的脈沖信 號時讀取編碼器5測量的激光旋轉角度0，將編碼器5測量的激光旋轉角度於發送至PC機。 [0049] 本實施方式中，微控制器2為32位ARM微控制器，型號為STM32F103RBT6。其內核是 Corte-M3,集成了定時器、計數器、CAN、ADC、UART等多種功能，并且有A、B、C三個端口，每個 端口 16個管腳，如圖4所示，本實施例中用到了它的8個管腳，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，？04管腳連接電機驅動器4的脈沖信號端 PUL，PA0管腳連接編碼器5的信號線A，PB7管腳連接2D激光雷達1的脈沖信號線，PB9管腳連 接一個自鎖圓形按鈕開關。
[0050]串口通信板6，用于實現PC機與微控制器2之間的通訊。
[0051 ] 本實施方式中，串口通信板6的型號為USB-TTL-V2.02。
[0052] PC機，用于根據讀取編碼器5測量的激光旋轉角度P、激光與目標物之間的距離P和 激光束夾角Θ將目標物的2D掃描距離轉換為3D點云。
[0053] 本實施方式中，PC機的型號為SurfacePrc^aPC機與運動控制單元的硬件連接通過 USB集線器實現，本實施方式中，USB集線器的型號為USB3.0 HUB，如圖5所示。PC機通過一個 USB3.0 HUB分別接收來自串口通訊板6的miniUSB發送的激光旋轉角度P、2D激光雷達1USB 接口的激光與目標物之間的距離P和激光束夾角Θ，并將其進行同步融合生成3D點云。
[0054] 裝置三維點云生成示意圖如圖6所示。由（a)圖可知，PC機通過從2D激光雷達1得到 激光與目標物之間的距離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測量的激光旋轉角度供，可以將2D掃描距離轉換為3D點云。 其中（a)為二維掃描平面上一點A，（b)為該平面繞y軸方向旋轉后得到A'，由此可以得到的 是# (x，y，z)的三維坐標公式如式（1)所示：
[0056] 供電電源，用于為電機驅動器4和2D激光雷達1提供12V直流電源。
[0057] 本實施方式中，供電電源的型號為YSN-1211000。
【主權項】
1. 一種基于2D激光雷達的便攜式三維掃描裝置，其特征在于，包括運動控制單元和PC 機； 所述運動控制單元，包括2D激光雷達、微控制器、步進電機、電機驅動器、編碼器、串口 通信板、供電電源、導電滑環和PC機； 所述編碼器的輸出端和2D激光雷達的同步信號端連接微控制器的數據輸入端，所述微 控制器的數據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驅動器的 輸入端，所述電機驅動器的輸出端連接步進電機的輸入端，所述串口通訊板的數據輸出端 通過USB集線器連接PC機，所述2D激光雷達的數據輸出端通過導電滑環和USB集線器連接PC 機，所述電機驅動器的電源端和2D激光雷達的電源端連接供電電源； 所述2D激光雷達通過螺栓固定于激光支架上，所述激光支架通過螺母連接有一個連接 軸，所述激光支架的連接軸通過聯軸器連接步進電機的機軸前端，所述編碼器固定于步進 電機的機軸后端，所述導電滑環固定于激光支架的連接軸上。2. 根據權利要求1所述的基于2D激光雷達的便攜式三維掃描裝置，其特征在于，所述電 機驅動器，用于通過微控制器的控制信號控制步進電機轉動； 所述步進電機，用于由電機驅動器控制轉動，控制激光支架以及2D激光雷達轉動； 所述2D激光雷達，用于在步進電機控制下旋轉，測量激光與目標物之間的距離P，并將 激光與目標物之間的距離P和激光束夾角Θ發送至PC機，并發送脈沖信號至微控制器； 所述編碼器，用于通過步進電機的轉動記錄激光的旋轉角度f，并傳送至微控制器； 所述微控制器，用于發送控制信號至電機驅動器，并在采集到2D激光雷達的脈沖信號 時讀取編碼器測量的激光旋轉角度將編碼器測量的激光旋轉角度供發送至PC機； 所述串口通信板，用于實現PC機與微控制器之間的通訊； 所述PC機，用于根據讀取編碼器測量的激光旋轉角度P、激光與目標物之間的距離P和 激光束夾角Θ將目標物的2D掃描距離轉換為3D點云； 所述供電電源，用于為電機驅動器和2D激光雷達提供12V直流電源； 所述導電滑環，用于實現當2D激光雷達連續旋轉時數據輸出線與PC機的連接。
【文檔編號】G01S17/89GK105866793SQ201610480172
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月27日
【發明人】方正, 李凱
【申請人】東北大學