一种3D激光扫描仪及其测距扫描方法

摘要

本发明公开了一种3D激光扫描仪及其测距扫描方法，包括固定外壳，包括固定外壳中心部位安装有物料转动机构，固定外壳的内部设置有激光发射机构和摄像机构，激光发射机构和摄像机构电连接有控制机构，控制机构对摄像机构拍摄的图片信息进行二极化。该3D激光扫描仪及其测距扫描方法在使用的过程中，通过独立的算法可以对拍摄的数据进行计算，同时通过降噪和处理对数据进行处理，提高数据的精确度，增加扫描的效果，同时该装置设置有激光设备和摄像设备的夹持机构，可以通过步进电机进行准确的进行控制，提高激光照射和图像拍摄的精确度，增加扫描的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及3D激光扫描仪技术领域，具体为一种3D激光扫描仪及其测距扫描方法。

背景技术

三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪、计算机、电源供应系统、支架以及系统配套软件构成。三维激光扫描仪作为三维激光扫描系统的主要组成部分，是由激光射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑、CCD机以及软件等组成，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。

(一)现有的3D激光扫描仪在使用的过程中，结构比较复杂，不方便后期的维护更换工作，且在使用的过程中，3D激光扫描仪处理的数据噪点比较多，导致导出的模型数据表面比较模糊，而且表面不够平滑，而且3D激光扫描仪的采样效率比较低，降低扫描物体的采样效率和效果。

(二)现有的3D激光扫描仪在使用的过程中，由于摄像头和激光发射装置为固定状态，同时在拆卸的十分繁琐，不方便后期更改角度和更换的工作，降低设备的实用性。

(三)传统3D激光扫描仪用的转动台结构比较简单，只是单纯的采用步进电机带动物料盘进行转动，如果待扫描物体外部为不规则的外形时，物料盘在转动的过程中容易出现歪斜，这样会严重影响到数据的采样，降低数据的准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种3D激光扫描仪及其测距扫描方法，以解决上述背景技术提出的目前市场上现有的3D激光扫描仪在使用的过程中，结构比较复杂，不方便后期的维护更换工作，且在使用的过程中，3D激光扫描仪处理的数据噪点比较多，导致导出的模型数据表面比较模糊，而且表面不够平滑，而且3D激光扫描仪的采样效率比较低，降低扫描物体采样效率和效果的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种3D激光扫描仪及其测距扫描方法，包括固定外壳(1)，包括固定外壳(1)中心部位安装有物料转动机构(5)，固定外壳(1)的内部设置有激光发射机构(4)和摄像机构(8)，激光发射机构(4)和摄像机构(8)电连接有控制机构(9)，控制机构(9)对摄像机构(8)拍摄的图片信息进行二极化，二极化数据通过三角测距法建立二维坐标系数据，控制机构(9)对若干组图片信息形成的二维坐标系数据进行叠加形成三维坐标系。

进一步的，所述固定外壳(1)的外壁设置有推动装置(6)，推动装置(6)为行程气缸，行程气缸伸缩端连接有横向移动机构(3)，横向移动机构(3)上安装有第一夹持机构(2)和第二夹持机构(7)，第一夹持机构(2)和第二夹持机构(7)上分别设置有激光发射机构(4)和摄像机构(8)，所述第一夹持机构(2)包括移动外壳(201)，移动外壳(201)内部为中空状，移动外壳(201)的外壁开设有丝杆安装孔(202)和丝杠螺纹孔(203)，移动外壳(201)一侧下方固定有固定板(204)，且移动外壳(201)靠近固定板(204)的一侧开设有垂直状的条形通孔，移动外壳(201)外壁通孔外侧滑动卡合有移动夹板(206)，移动夹板(206)一端设置有条形的凸起，移动夹板(206)外壁凸起穿过移动外壳(201)外部通孔，移动夹板(206)外壁凸起固定有弹簧(210)。

进一步的，所述移动夹板(206)的中心开设有通孔，且移动夹板(206)中心通孔内设置有圆柱形固定杆，固定杆的一端固定有锥形的指示块(207)，固定杆另一端固定有工件固定块(209)，移动夹板(206)的上端设置有刻度标盘(208)，且刻度标盘(208)处于指示块(207)的下方，弹簧(210)的下端固定在移动外壳(201)内壁上，固定板(204)的上方胶合有防滑垫(205)；所述丝杠螺纹孔(203)内部开设有与第二丝杆(304)相匹配的螺纹，且丝杆安装孔(202)的内部直径大于第一丝杆(302)的外部直径，第二夹持机构(7)与第一夹持机构(2)的结构相同，且第二夹持机构(7)外壁的螺纹孔和安装孔分别与第一丝杆(302)和第二丝杆(304)相对应。

进一步的，所述横向移动机构(3)包括横移架(301)，且横移架(301)一侧中心固定有气缸连接块(303)，横移架(301)的另一侧开设有凹槽，横移架(301)另一侧凹槽内转动设置有第一丝杆(302)和第二丝杆(304)，横移架(301)的外壁设置有第一电机(305)和第二电机(306)，第一电机(305)和第二电机(306)的转轴通过联轴器分别与第一丝杆(302)和第二丝杆(304)的一端相连接；

其中，所述第一电机(305)和第二电机(306)采用步进电机。

进一步的，所述激光发射机构(4)和摄像机构(8)的上方开设有凹槽，激光发射机构(4)和摄像机构(8)上方凹槽内部形状与工件固定块(209)的外部形状相吻合。

进一步的，所述物料转动机构(5)包括安装底架(501)，安装底架(501)的上端设置有“十”形分布的矩形凸起，安装底架(501)凸起上端开设有半球形的凹槽，安装底架(501)上端凹槽内设置有转动球(504)，安装底架(501)的中心设置有驱动电机(503)，转动球(504)的上方搭设有物料转动盘(502)，物料转动盘(502)的下方开设有与安装底架(501)上端凸起相匹配的底架卡槽(505)，底架卡槽(505)内部为圆环状，驱动电机(503)的转轴通过联轴器与物料转动盘(502)中心相连接。

进一步的，所述控制机构(9)包括Arduino控制模块、电源模块、步进电机驱动模块，Arduino控制模块通过电信号与电源模块和步进电机驱动模块相连接，步进电机驱动模块通过电信号与第一电机(305)、第二电机(306)和驱动电机(503)相连接；

其中，所述激光发射机构(4)和摄像机构(8)通过电线连接有电源模块；所述摄像机构(8)信号输出端连接有Arduino控制模块。

进一步的，所述的一种3D激光扫描仪的测距扫描方法，包括如下步骤：

第一步：控制机构(9)控制激光发射机构(4)，激光发射机构(4)打出竖直激光在待扫描物体表面；

第二步：摄像机构(8)对激光发射机构(4)打出竖直激光位置进拍摄，同时摄像机构(8)将拍摄的图像数据输送到控制机构(9)；

第三步：控制机构(9)通过中值算法查找激光位置并带入三角测距算法，得到扫描线粗略位置；

第四步：对扫描线数据进行降噪处理；

第五步：对扫描线数据进行平滑处理；

第六步：重复第四步-第七步采样过程，重复次数为100-200次；

第七步：将得出的数据建模得出模型。

进一步的，所述的一种3D激光扫描仪的测距扫描方法，其特征在于：

在第三步中，三角测距算法包括以下步骤：

第一步：激光发射机构(4)的激光头Laser与摄像机构(8)摄像头在同一水平线(称为基准线)上，其距离为s，摄像头焦距为f，激光头与基准线的夹角为β；

第二步：将距离s、焦距f和夹角β的数值带入单点激光测距公式；

第三步：通过单点激光测距公式得出激光头与待扫描物体之间的距离d；

第四步：通过单点激光测距公式可以衍生到线状激光三角测距公式；

第五步：将激光光条的中心点P1、成像点P1′、摄像头、激光头作为基准面，中心点P1就符合单点单点激光测距；

第六步：中心点P1数值改变的时候，由线状激光三角测距公式得出激光头与待扫描物体之间的距离d数值也会发生改变，完成测距。

进一步的，所述的一种3D激光扫描仪的测距扫描方法，其特征在于：

在第四步中，降噪处理方法：遍历所有采样得到的点，计算每个点和周围四个点的距离；如果一个点与周围的点足够远(程序设计的距离为10个像素点)，将被认为是孤立的点为噪点，自动去除；

在第五步中，平滑处理方法：采用中值平滑，将每条扫描线单独进行平滑处理，根据其左右两边的两条扫描线再次进行二次平滑处理，此过程反复进行十次；

将得出的数据新建并保存至本地txt文件，开始利用OpenGL框架进行建模，导出三种可视化模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

其一，该3D激光扫描仪及其测距扫描方法在使用的过程中，通过独立的算法可以对拍摄的数据进行计算，同时通过降噪和处理对数据进行处理，提高数据的精确度，增加扫描的效果，同时该装置设置有激光设备和摄像设备的夹持机构，可以通过步进电机进行准确的进行控制，提高激光照射和图像拍摄的精确度，增加扫描的效果。

其二，该3D激光扫描仪内部设置有可以调教角度和距离的夹持机构，可以单独对激光设备和摄像设备进行位置和角度的调节，同时拆卸和安装步骤比较简单，方便激光设备和摄像设备后期的维护工作以及对距离和角度调整工作。

其三，该3D激光扫描仪设置有稳定转动的结构，可以稳定的带动待扫描物体进行转动，提高待扫描物体转动的稳定性，避免待扫描物体在转动的过程中出现歪斜的情况，提高数据的准确性。

附图说明

图1为本发明一种3D激光扫描仪及其测距扫描方法结构示意图；

图2为本发明一种3D激光扫描仪及其测距扫描方法第一夹持机构结构示意图；

图3为本发明一种3D激光扫描仪及其测距扫描方法横向移动机构结构示意图；

图4为本发明一种3D激光扫描仪及其测距扫描方法物料转动机构结构示意图；

图5为本发明一种3D激光扫描仪及其测距扫描方法图4中A处放大结构示意图；

图6为本发明一种3D激光扫描仪及其测距扫描方法中值算法；

图7为本发明一种3D激光扫描仪及其测距扫描方法设备位置图；

图8为本发明一种3D激光扫描仪及其测距扫描方法三角测距算法公式；

图9为本发明一种3D激光扫描仪及其测距扫描方法设备结构图。

图中：1、固定外壳，2、第一夹持机构，201、移动外壳，202、丝杆安装孔，203、丝杠螺纹孔，204、固定板，205、防滑垫，206、移动夹板，207、指示块，208、刻度标盘，209、工件固定块，210、弹簧，3、横向移动机构，301、横移架，302、第一丝杆，303、气缸连接块，304、第二丝杆，305、第一电机，306、第二电机，4、激光发射机构，5、物料转动机构，501、安装底架，502、物料转动盘，503、驱动电机，504、转动球，505、底架卡槽，6、推动装置，7、第二夹持机构，8、摄像机构，9、控制机构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-9，本发明提供一种技术方案：一种3D激光扫描仪及其测距扫描方法，包括固定外壳(1)，包括固定外壳(1)中心部位安装有物料转动机构(5)，固定外壳(1)的内部设置有激光发射机构(4)和摄像机构(8)，激光发射机构(4)和摄像机构(8)电连接有控制机构(9)，控制机构(9)对摄像机构(8)拍摄的图片信息进行二极化，二极化数据通过三角测距法建立二维坐标系数据，控制机构(9)对若干组图片信息形成的二维坐标系数据进行叠加形成三维坐标系。

固定外壳1的外壁设置有推动装置6，推动装置6为行程气缸，行程气缸伸缩端连接有横向移动机构3，横向移动机构3上安装有第一夹持机构2和第二夹持机构7，第一夹持机构2和第二夹持机构7上分别设置有激光发射机构4和摄像机构8，第一夹持机构2包括移动外壳201，移动外壳201内部为中空状，移动外壳201的外壁开设有丝杆安装孔202和丝杠螺纹孔203，移动外壳201一侧下方固定有固定板204，且移动外壳201靠近固定板204的一侧开设有垂直状的条形通孔，移动外壳201外壁通孔外侧滑动卡合有移动夹板206，移动夹板206一端设置有条形的凸起，移动夹板206外壁凸起穿过移动外壳201外部通孔，移动夹板206外壁凸起固定有弹簧210，此结构的移动外壳201外侧固定板204和移动夹板206可以将激光发射机构4夹住，同时移动外壳201外壁的丝杆安装孔202和丝杠螺纹孔203可以分别套设在第一丝杆302和第二丝杆304上，而丝杠螺纹孔203内部采用螺纹，这样第二丝杆304在转动的时候可以推动移动外壳201进行移动，而丝杆安装孔202的内径比较大，这样第一丝杆302在转动的时候不会影响到移动外壳201的位置，这样第一丝杆302和第二丝杆304可以分别对第一夹持机构2和第二夹持机构7的位置进行控制，而且移动外壳201内部的弹簧210可以将移动夹板206拖拽住，使移动夹板206受到一个朝固定板204方向的拉力，使固定板204可以将激光发射机构4固定住，而且激光发射机构4上方的凹槽可以卡在工件固定块209的下方，这样在对激光发射机构4的角度进行调整的时候，激光发射机构4会带动工件固定块209和指示块207一起转动，通过指示块207对刻度标盘208上的数值进行标记，方便使用者进行观察，这样可以准确的对激光发射机构4的角度进行调整；

移动夹板206的中心开设有通孔，且移动夹板206中心通孔内设置有圆柱形固定杆，固定杆的一端固定有锥形的指示块207，固定杆另一端固定有工件固定块209，移动夹板206的上端设置有刻度标盘208，且刻度标盘208处于指示块207的下方，弹簧210的下端固定在移动外壳201内壁上，固定板204的上方胶合有防滑垫205；丝杠螺纹孔203内部开设有与第二丝杆304相匹配的螺纹，且丝杆安装孔202的内部直径大于第一丝杆302的外部直径，第二夹持机构7与第一夹持机构2的结构相同，且第二夹持机构7外壁的螺纹孔和安装孔分别与第一丝杆302和第二丝杆304相对应，此结构的丝杠螺纹孔203可以与第二丝杆304外部螺纹相互配合，这样第二丝杆304在转动的时候可以驱动第一夹持机构2进行移动，而第二夹持机构7外壁的螺纹孔和安装孔分别与第一丝杆302和第二丝杆304相对应，这样第一丝杆302与第二夹持机构7外壁的螺纹孔相互配合，通过第一丝杆302驱动第二夹持机构7进行移动，而且第二丝杆304直接穿过第二夹持机构7外壁的安装孔，第二丝杆304在转动的时候不会影响到第二夹持机构7，使第一丝杆302和第二丝杆304可以分别控制第二夹持机构7和第一夹持机构2进行移动；

横向移动机构3包括横移架301，且横移架301一侧中心固定有气缸连接块303，横移架301的另一侧开设有凹槽，横移架301另一侧凹槽内转动设置有第一丝杆302和第二丝杆304，横移架301的外壁设置有第一电机305和第二电机306，第一电机305和第二电机306的转轴通过联轴器分别与第一丝杆302和第二丝杆304的一端相连接；

其中，第一电机305和第二电机306采用步进电机，此结构的横向移动机构3外壁的第一电机305和第二电机306可以驱动第一丝杆302和第二丝杆304进行转动，第一丝杆302和第二丝杆304在转动的时候可以驱动第二夹持机构7和第一夹持机构2进行移动，对摄像机构8和激光发射机构4的位置进行调整。

激光发射机构4和摄像机构8的上方开设有凹槽，激光发射机构4和摄像机构8上方凹槽内部形状与工件固定块209的外部形状相吻合，此结构的激光发射机构4和摄像机构8可以进行激光定位和图像拍摄的工作，而且激光发射机构4和摄像机构8上方的凹槽起到容纳工件固定块209的作用，在转动的时候可以带动工件固定块209一起转动，通过工件固定块209与指示块207和刻度标盘208相互配合，对激光发射机构4和摄像机构8转动角度进行标记；

物料转动机构5包括安装底架501，安装底架501的上端设置有“十”形分布的矩形凸起，安装底架501凸起上端开设有半球形的凹槽，安装底架501上端凹槽内设置有转动球504，安装底架501的中心设置有驱动电机503，转动球504的上方搭设有物料转动盘502，物料转动盘502的下方开设有与安装底架501上端凸起相匹配的底架卡槽505，底架卡槽505内部为圆环状，驱动电机503的转轴通过联轴器与物料转动盘502中心相连接，此结构的安装底架501上端转动球504可以将物料转动盘502的下方顶住，而且物料转动盘502转动的时候，通过转动球504增加物料转动盘502转动的灵活性和稳定性，避免物料转动盘502出现歪斜的情况，同时安装底架501上端凸起可以卡在底架卡槽505内，防止物料转动盘502在安装底架501上出现位移的情况，增加物料转动盘502转动稳定的效果。

控制机构9包括Arduino控制模块、电源模块、步进电机驱动模块，Arduino控制模块通过电信号与电源模块和步进电机驱动模块相连接，步进电机驱动模块通过电信号与第一电机305、第二电机306和驱动电机503相连接；

其中，激光发射机构4和摄像机构8通过电线连接有电源模块；摄像机构8信号输出端连接有Arduino控制模块；

一种3D激光扫描仪的测距扫描方法，包括如下步骤：

第一步：控制机构(9)控制激光发射机构(4)，激光发射机构(4)打出竖直激光在待扫描物体表面；

第二步：摄像机构(8)对激光发射机构(4)打出竖直激光位置进拍摄，同时摄像机构(8)将拍摄的图像数据输送到控制机构(9)；

第三步：控制机构(9)通过中值算法查找激光位置并带入三角测距算法，得到扫描线粗略位置；

第四步：对扫描线数据进行降噪处理；

第五步：对扫描线数据进行平滑处理；

第六步：重复第四步-第七步采样过程，重复次数为100-200次；

第七步：将得出的数据建模得出模型。

一种3D激光扫描仪的测距扫描方法，其特征在于：

在第三步中，三角测距算法包括以下步骤：

第一步：激光发射机构(4)的激光头Laser与摄像机构(8)摄像头在同一水平线(称为基准线)上，其距离为s，摄像头焦距为f，激光头与基准线的夹角为β；

第二步：将距离s、焦距f和夹角β的数值带入单点激光测距公式；

第三步：通过单点激光测距公式得出激光头与待扫描物体之间的距离d；

第四步：通过单点激光测距公式可以衍生到线状激光三角测距公式；

第五步：将激光光条的中心点P1、成像点P1′、摄像头、激光头作为基准面，中心点P1就符合单点单点激光测距；

第六步：中心点P1数值改变的时候，由线状激光三角测距公式得出激光头与待扫描物体之间的距离d数值也会发生改变，完成测距。

一种3D激光扫描仪的测距扫描方法，其特征在于：

在第四步中，降噪处理方法：遍历所有采样得到的点，计算每个点和周围四个点的距离；如果一个点与周围的点足够远(程序设计的距离为10个像素点)，将被认为是孤立的点为噪点，自动去除；

在第五步中，平滑处理方法：采用中值平滑，将每条扫描线单独进行平滑处理，根据其左右两边的两条扫描线再次进行二次平滑处理，此过程反复进行十次；

将得出的数据新建并保存至本地txt文件，开始利用OpenGL框架进行建模，导出三种可视化模型；

控制机构9将摄像机构8捕获的图像进行二极化处理，通过中值算法查找激光位置并带入测距算法，具体算法公式根据图6所示，其角度和设备位置关系根据图7所示

单点激光测距公式算法如图8所示，单点激光测距设备方案如图9所示。

工作原理：在使用该3D激光扫描仪及其测距扫描方法时，首先将该装置设置在合适的地方，将待扫描物放置在物料转动机构5的物料转动盘502上，之后通过控制机构9控制驱动电机503进行转动，使驱动电机503可以带动物料转动盘502和待扫描物进行转动，同时安装底架501上方的转动球504可以将物料转动盘502下方边缘位置顶住，提高物料转动盘502的转动效果，之后通过控制机构9启动激光发射机构4和摄像机构8，激光发射机构4可以打出竖直激光照射到物体的表面，同时摄像机构8会对物体进行拍摄，之后控制机构9接收到摄像机构8的图像数据，控制机构9对图像数据进行二极化处理，并中值算法查找激光位置并带入测距算法，得到扫描线粗略位置，之后再进行降噪和平滑的处理，直到完全对待扫描物表面进行采样的工作，最后通过OpenGL框架进行建模，导出三种可视化模型，而且横向移动机构3可以单独对第一夹持机构2和第二夹持机构7的位置进行调整，使激光发射机构4和摄像机构8处于合适的位置，而推动装置6可以推动横向移动机构3进行上下移动，对激光发射机构4和摄像机构8的高度进行控制，同时移动外壳201外侧固定板204和移动夹板206可以将激光发射机构4夹住，同时移动外壳201外壁的丝杆安装孔202和丝杠螺纹孔203可以分别套设在第一丝杆302和第二丝杆304上，而丝杠螺纹孔203内部采用螺纹，这样第二丝杆304在转动的时候可以推动移动外壳201进行移动，而丝杆安装孔202的内径比较大，这样第一丝杆302在转动的时候不会影响到移动外壳201的位置，这样第一丝杆302和第二丝杆304可以分别对第一夹持机构2和第二夹持机构7的位置进行控制，而且移动外壳201内部的弹簧210可以将移动夹板206拖拽住，使移动夹板206受到一个朝固定板204方向的拉力，使固定板204可以将激光发射机构4固定住，而且激光发射机构4上方的凹槽可以卡在工件固定块209的下方，这样在对激光发射机构4的角度进行调整的时候，激光发射机构4会带动工件固定块209和指示块207一起转动，通过指示块207对刻度标盘208上的数值进行标记，方便使用者进行观察，这样可以准确的对激光发射机构4的角度进行调整，同理可以对第二夹持机构7内部摄像机构8角度进行调整，方便后期的维护更换的工作，从而完成一系列工作。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。