一種三維激光掃描裝置控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于控制工程與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種三維激光掃描裝置控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]三維激光掃描測(cè)量技術(shù)是近些年來(lái)發(fā)展迅速的一門空間測(cè)量技術(shù)，被譽(yù)為測(cè)繪技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)革命。三維激光掃描技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地獲取場(chǎng)景空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)而完全復(fù)現(xiàn)真實(shí)的物理世界，所以也被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。相較于傳統(tǒng)的逐點(diǎn)采集空間點(diǎn)坐標(biāo)的方法，三維激光掃描具有精度高、采集速度快、智能化掃描和海量測(cè)量點(diǎn)的特點(diǎn)，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到工程勘探測(cè)量、數(shù)字導(dǎo)航、場(chǎng)景可視化和逆向工程等工程實(shí)踐中，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量手段工作量大、操作繁復(fù)和測(cè)量誤差不易控制等缺陷，改善了測(cè)量人員的作業(yè)環(huán)境，極大程度地提高了空間點(diǎn)的采集效率和質(zhì)量。由于可以自動(dòng)化和智能化掃描測(cè)量，人員干預(yù)并不是必須的，所以對(duì)于狹窄空間和危險(xiǎn)場(chǎng)合等不易直接測(cè)量的情況，三維激光掃描具有傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。
[0003]三維激光掃描技術(shù)的誕生與發(fā)展也給空間幾何學(xué)、測(cè)繪學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等領(lǐng)域帶來(lái)新的發(fā)展契機(jī)，具有深遠(yuǎn)的意義。同時(shí)，三維激光掃描技術(shù)還處在不斷探索的階段，無(wú)論是掃描裝置的小型化、低成本化和智能化過(guò)程，以及測(cè)量誤差的控制措施，都需要長(zhǎng)時(shí)間地探索與沉淀。
[0004]目前，對(duì)三維激光掃描裝置控制系統(tǒng)的研究尚處于起步階段，因此，三維激光掃描設(shè)備領(lǐng)域亟需一套完善的、便于操控的控制系統(tǒng)，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)三維激光掃描設(shè)備的精確控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種應(yīng)用在三維激光掃描裝置上的控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)三維激光掃描裝置進(jìn)行快速、精確控制的控制。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種三維激光掃描裝置控制系統(tǒng)，包括激光測(cè)距模塊、電源模塊、處理器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及細(xì)分模塊、機(jī)械旋轉(zhuǎn)及掃描機(jī)構(gòu)、角度反饋模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊以及上位機(jī)，其中:
[0007]所述激光測(cè)距模塊、電源模塊、處理器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及細(xì)分模塊、機(jī)械旋轉(zhuǎn)及掃描機(jī)構(gòu)、角度反饋模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)的下位機(jī)，上位機(jī)與下位機(jī)按照約定的通信協(xié)議傳輸報(bào)文，進(jìn)行全雙工通信；
[0008]所述激光測(cè)距模塊可發(fā)射激光束并接收反射回波，用于測(cè)量激光發(fā)射點(diǎn)到目標(biāo)反射點(diǎn)的距離；
[0009]所述機(jī)械旋轉(zhuǎn)及掃描機(jī)構(gòu)由兩路電機(jī)和反射光路組成，兩路電機(jī)分別垂直與水平安裝；兩路電機(jī)帶動(dòng)反射光路進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)中的反射光路持續(xù)反射靜止的激光測(cè)距模塊發(fā)射的激光束，出射光束的方向不斷變化，從而將激光測(cè)距模塊發(fā)射的一維激光束轉(zhuǎn)換成三維掃描式激光束；
[0010]所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)及細(xì)分模塊用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；
[0011]所述角度反饋模塊用于測(cè)量機(jī)械旋轉(zhuǎn)及掃描機(jī)構(gòu)的水平旋轉(zhuǎn)角和豎直旋轉(zhuǎn)角；
[0012]所述網(wǎng)絡(luò)通信模塊與處理器模塊相連，是上位機(jī)與下位機(jī)通信的樞紐，該模塊具有判斷設(shè)備地址和選擇路徑的功能，用于將收到的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給指定地址的設(shè)備；
[0013]所述處理器模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)下位機(jī)的核心器件，用于完成對(duì)激光測(cè)距模塊輸出的距離數(shù)據(jù)和角度反饋模塊輸出的角度數(shù)據(jù)的讀??；處理器模塊在讀取角度反饋模塊的輸出的角度信息和激光測(cè)距模塊輸出的距離數(shù)據(jù)后計(jì)算激光束目標(biāo)反射點(diǎn)的坐標(biāo)，此外，處理器模塊還向電機(jī)驅(qū)動(dòng)及細(xì)分模塊輸出PWM控制信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；
[0014]所述電源模塊，用于滿足控制系統(tǒng)中各個(gè)部件的對(duì)電源的不同需求，向它們提供電源；
[0015]所述上位機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)接收、點(diǎn)云數(shù)據(jù)顯示、點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并對(duì)接收到的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、平滑預(yù)處理操作，上位機(jī)同時(shí)可向下位機(jī)發(fā)送控制命令，設(shè)置掃描分辨率和掃描模式參數(shù)。
[0016]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述處理器模塊用于控制和協(xié)同下位機(jī)其他模塊的工作，處理器片內(nèi)資源豐富且?guī)в懈↑c(diǎn)運(yùn)算單元，適合掃描系統(tǒng)既需要實(shí)時(shí)快速控制，又要求浮點(diǎn)運(yùn)算的情況。
[0017]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述激光測(cè)距模塊發(fā)射的激光是對(duì)人眼安全的I級(jí)激光。
[0018]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述機(jī)械旋轉(zhuǎn)及掃描機(jī)構(gòu)中的兩路電機(jī)均采用步進(jìn)電機(jī)。
[0019]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)及細(xì)分模塊用于接收處理器模塊輸出的脈沖信號(hào)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)及細(xì)分模塊每接收到一個(gè)脈沖信號(hào)就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度內(nèi)部電力電子模塊用于將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)，處理器模塊通過(guò)控制輸出的脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的角位移量，電機(jī)驅(qū)動(dòng)及細(xì)分模塊自帶細(xì)分功能，細(xì)分使得電機(jī)繞組的相電流緩慢變化，可直接改善電機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪音，提尚電機(jī)運(yùn)彳丁的穩(wěn)定性。
[0020]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述網(wǎng)絡(luò)通信模塊中傳輸?shù)氖歉哳l信號(hào)，需要增加電磁屏蔽裝置來(lái)提高抗干擾能力。
[0021]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述電源模塊采用交直流隔離變壓裝置和一些直流變壓芯片將市電轉(zhuǎn)換成控制系統(tǒng)中各個(gè)部件需要的電壓。
[0022]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行降噪、平滑預(yù)處理操作，完成三維場(chǎng)景重建，上位機(jī)同時(shí)可向三維激光掃描儀發(fā)送控制命令，設(shè)置掃描分辨率和掃描模式參數(shù)。
[0023]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述網(wǎng)絡(luò)通信模塊用于將三維激光掃描裝置控制系統(tǒng)下位機(jī)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，由上位機(jī)完成三維場(chǎng)景重建，同時(shí)，還將上位機(jī)發(fā)送的命令報(bào)文傳輸給下位機(jī)。
[0024]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述上位機(jī)在與下位機(jī)通信時(shí)遵循一種自定義的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。
[0025]總體而言，本發(fā)明提供的三維激光掃描裝置控制系統(tǒng)結(jié)合了嵌入式技術(shù)和激光測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)方法靈活，網(wǎng)絡(luò)傳輸方式滿足了網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)高速信息提取和傳輸?shù)囊蟆Ｔ撓到y(tǒng)采樣速率高、成本低廉、使用簡(jiǎn)單、操作安全，能夠快速準(zhǔn)確地獲取空間場(chǎng)景的三維可視化模型，避免了傳統(tǒng)掃描系統(tǒng)中存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、數(shù)據(jù)采集慢、數(shù)據(jù)處理時(shí)間長(zhǎng)、計(jì)算準(zhǔn)確度低及數(shù)據(jù)不能直接輸出到其它系統(tǒng)等問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的三維激光掃描裝置控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的三維激光掃描裝置控制系統(tǒng)中上位機(jī)與下位機(jī)的通信示意圖；
[0028]圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的多個(gè)掃描儀協(xié)同掃描復(fù)雜場(chǎng)景，同時(shí)與上位機(jī)通信的的結(jié)構(gòu)框圖；
[0029]圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的三維激光掃描裝置控制系統(tǒng)中下位機(jī)的工作流程圖；
[0030]圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的三維激光掃描裝置控制系統(tǒng)中上位機(jī)的工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0032]如圖1所示，所述控制系統(tǒng)包括激光測(cè)距模塊、電源模塊、處理器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及細(xì)分模塊、機(jī)械旋轉(zhuǎn)及掃描機(jī)構(gòu)、角度反饋模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、上位機(jī)，其中:
[0033]所述激光測(cè)距模塊、電源模塊、處理器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及細(xì)分模塊、機(jī)械旋轉(zhuǎn)及掃描機(jī)構(gòu)、角度反饋模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)的下位機(jī)，上位機(jī)與下位機(jī)按照約定的通信協(xié)議傳輸報(bào)文，進(jìn)行全雙工通信；
[0034]所述激光測(cè)距模塊可發(fā)射激光束并接收反射回波，用于測(cè)量激光發(fā)射點(diǎn)到目標(biāo)反射點(diǎn)的距離，激光測(cè)距模塊發(fā)射的激光是對(duì)人眼安全的I級(jí)激光。該模塊具備測(cè)量頻率高，測(cè)距精度高，抗干擾能力強(qiáng)和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)；
[0035]所述處理器模塊作為邏輯控制與數(shù)據(jù)運(yùn)算核心，用于控制和協(xié)同下位機(jī)其他模塊的工作，處理器片內(nèi)資源豐富且?guī)в懈↑c(diǎn)運(yùn)算單元，適合掃描系統(tǒng)既需要實(shí)時(shí)快速控制，又要求浮點(diǎn)運(yùn)算的情況；
[0036]所述機(jī)械旋轉(zhuǎn)及掃描機(jī)構(gòu)由兩路電機(jī)和反射光路組成，兩路電機(jī)帶動(dòng)反射光路進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)中的反射光路持續(xù)反射靜止的激光測(cè)距模塊發(fā)射的激光束，出射光束的方向不斷變化，從而將激光測(cè)距模塊發(fā)射的一維激光束轉(zhuǎn)換成三維掃描式激光束；
[0037]所述機(jī)械旋轉(zhuǎn)及掃描機(jī)構(gòu)中的電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的輸出扭矩大，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，控制方便。兩路電機(jī)分別垂直與水平安裝；
[0038]所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)及細(xì)分模塊用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；該模塊接收處理器模塊輸出的脈沖信號(hào)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)及細(xì)分模塊每接收到一個(gè)脈沖信號(hào)就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，處理器模塊通過(guò)控制輸出的脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的角位移量。電機(jī)驅(qū)動(dòng)及細(xì)分模塊自帶細(xì)分功能，細(xì)分使得電機(jī)繞組的相電流緩慢變化，可直接改善電機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪音，提高電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
[0039]所述角度反饋模塊用于測(cè)量機(jī)械旋轉(zhuǎn)及掃描機(jī)構(gòu)的水平旋轉(zhuǎn)角和豎直旋轉(zhuǎn)角；
[0040]所述網(wǎng)絡(luò)通信模塊與處理器模塊相連，是上位機(jī)與下位機(jī)通信的樞紐，該模塊具有判斷設(shè)備地址和選擇路徑的功能，可將收到的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給指定地址的設(shè)備；
[0041]所述網(wǎng)絡(luò)通信模塊將三維激光掃描裝置控制系統(tǒng)下位機(jī)獲得的