CN110554640B - 一种扫描仪控制电路及数据处理方法 - Google Patents
一种扫描仪控制电路及数据处理方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种扫描仪控制电路的数据处理方法，包括以下操作步骤：A)、同步请求指令：控制电路对所有传感器同步发出数据请求指令；B)、各传感器响应请求同步返回数据；C)、坐标变换：控制电路核心处理模块对获取的同步数据进行高速分析处理，并进行坐标变换；D)、点云数据生成：同步数据通过坐标变换方法转换为三维点云数据；E)、点云数据预处理；F)、特征物理量提取；G)、数据输出；H)、完成。本发明实现了对扫描仪伺服轴的精确控制，同时高速采集扫描仪内部所有传感器的数据，所有数据全部在控制电路内部进行自动快速处理，转换为三维点云数据，并提取目标模型特征量，推广应用具有良好的经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明属于数据处理电路技术领域，特别涉及一种扫描仪控制电路及数据处理方法。
背景技术
传统测量概念里，所测的的数据最终输出的都是二维结果(如CAD出图)，在测量仪器里全站仪，GPS比重居多，但测量的数据都是二维形式的，在逐步数字化的今天，三维已经逐渐的代替二维，因为其直观是二维无法表示的，三维激光扫描仪每次测量的数据不仅仅包含X、Y、Z点的信息，还包括R，G，B颜色信息，同时还有物体反色率的信息，这样全面的信息能给人一种物体在电脑里真实再现的感觉，是一般测量手段无法做到的。三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，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；三维激光扫描技术是一种全自动高精度立体扫描技术，它利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描***可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。该技术在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域也有了很多的尝试、应用和探索。
三维扫描仪对一个物体的扫描需要在若干个位置分几次进行，由于激光是沿直线传播的，这决定了在1个扫描角度只能得到一个物体的完整表面采样数据，必须在多个方向和角度对一个物体扫描，即多视点云；每一个扫描位置都有自己的局部坐标系，多视点云的拼接也就是把各个局部坐标系通过坐标变换统一到一个坐标系中，因此如何把不同视点得到的点云数据统一到一个坐标系中，也就是多视点云的拼接问题也成为研究的热点；ICP(iterative closest point)迭代最近点算法是目前解决多视拼接问题的一种基本算法，比利用标定物拼接的方法精度更高。
现有技术的扫描仪内部控制电路，只能实现伺服控制和数据采集功能，扫描获取的三维点云数据，通过有线或者无线的方式将数据上传至电脑，由操作人员利用配套上位机软件，进行手动或者半自动的数据处理，来实现三维建模和模型特征提取。由于三维点云数据需要人工后期处理，效率低下，不能满足数据处理的实时性和快速性要求，因此并不适合智能化工程机械在现场施工作业时的数据获取要求。
如何对传感器的数据自动快速处理并转换为三维点云数据，如何提取目标模型特征量，成为急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是要解决上述技术问题，提供一种扫描仪控制电路及数据处理方法。
一种扫描仪控制电路，包括核心运算模块，其特征在于：所述的核心运算模块分别与数据存取模块、采集与控制模块、通讯接口模块双向连接并组成扫描仪控制电路；
核心运算模块包括高速数字处理芯片，负责所有传感数据进行同步匹配、坐标变换、点云数据预处理以及模型目标特征量提取的工作；
数据存取模块由闪存和同步动态存储器组成，主要实现扫描仪各种传感器的数据储存以及各种数据运算中间结果的缓存；
采集与控制模块包括电机控制模块、激光测距仪、倾角传感器、双轴角度模块，电机控制模块与CAN接口双向连接，双轴角度模块与CAN接口双向连接，激光测距仪与同步串行接口双向连接，倾角传感器与串口双向连接；通过同步串行接口采集激光测距仪的距离数据，通过CAN接口获取电机伺服轴负载端高精度绝对值编码器的角度位置数据，通过串口来获取倾角传感器的读值，伺服电机的控制通过CAN接口实现；
通讯接口模块由以太网接口芯片和上位机电脑组成，太网接口芯片与上位机电脑双向连接，实现扫描仪和外部设备的高速数据收发。
一种扫描仪控制电路的数据处理方法，其特征在于：包括以下操作步骤：
A)、同步请求指令：
控制电路对所有传感器同步发出数据请求指令；
B)、各传感器响应请求同步返回数据：
①激光测距仪的距离数据通过同步串行接口同步返回数据；
②倾角传感器的读值通过串口同步返回数据；
③电机伺服轴负载端高精度绝对值编码器的角度位置数据通过CAN接口同步返回数据；
C)、坐标变换：
控制电路核心处理模块对获取的同步数据进行高速分析处理，并进行坐标变换；
D)、点云数据生成：
同步数据通过坐标变换方法转换为三维点云数据，获得被扫描对象的三维点云数据模型；
E)、点云数据预处理：
点云预处理包括消除噪声点、插值运算和模型畸形校准等，主要是对原始点云数据进行预先处理，从而得到可用的三维点云数据，为下一步模型特征物理量的提取做准备；
F)、特征物理量提取：
特征物理量提取应用包含但不局限于智能化工程机械施工领域，通过和参考输入量的对比，能实时获取整个三维点云空间内的实际工况和设计标准之间的三维差异数据，也能直接计算三维点云空间内的各种特征物理量；
G)、数据输出：
获取的特征物理量以及所有三维点云数据，能够按照需求打包上传或者实时上传；
H)、完成。
所述的步骤D)中，同步数据通过坐标变换方法转换为三维点云数据的转换方法包括以下操作步骤：
A)、三维坐标系中各轴坐标的计算：
X轴坐标：x＝(radius+L1)×cos(β)+L4；
Y轴坐标：y＝(radius+L1)×sin(β)×cos(α)+L2×cos(α)-L3×sin(α)；
Z轴坐标：z＝(radius+L1)×sin(β)×sin(α)+L2×sin(α)+L3×cos(α)；
其中，radius为激光测距原点至目标点的距离；
α为水平轴相对于零位旋转角度；
β为垂直轴相对于零位旋转角度；
L1为激光出光点到垂直轴的距离；
L2为垂直轴到水平轴距离；
L3为激光出光点到水平轴的距离在垂直轴方向上的分量；
L4为法兰盘靠近扫描仪的表面几何中心到垂直轴的距离在水平轴方向上的分量；
B)、重复步骤A)，对所有获取的同步数据按照上述方法计算一遍，能获取被扫描对象的三维点云数据模型。
所述的步骤F)中，特征物理量提取用于隧道施工中的超挖和欠挖，通过和参考输入量的对比，能实时获取整个三维点云空间内的实际工况和设计标准之间的三维差异数据。
所述的步骤F)中，特征物理量提取用于土木工程中的料堆体积测算，通过和参考输入量的对比，能直接计算三维点云空间内的各种特征物理量。
本发明实现了对扫描仪伺服轴的精确控制，同时高速采集扫描仪内部所有传感器的数据，所有数据全部在控制电路内部进行自动快速处理，转换为三维点云数据，并提取目标模型特征量，最终可以将智能化工程机械自动施工作业所需的目标特征量直接上传至PLC或者上位机电脑，用以对施工作业的控制，同样也可以将获取的点云数据实时上传，以实现目标模型的实时描绘和显示，推广应用具有良好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的数据处理工序流程图。
图3是本发明的扫描仪内部轴系关系结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限制。
一种扫描仪控制电路，包括核心运算模块，其特征在于：所述的核心运算模块分别与数据存取模块、采集与控制模块、通讯接口模块双向连接并组成扫描仪控制电路；
核心运算模块包括高速数字处理芯片，负责所有传感数据进行同步匹配、坐标变换、点云数据预处理以及模型目标特征量提取的工作；
数据存取模块由闪存和同步动态存储器组成，主要实现扫描仪各种传感器的数据储存以及各种数据运算中间结果的缓存；
采集与控制模块包括电机控制模块、激光测距仪、倾角传感器、双轴角度模块，电机控制模块与CAN接口双向连接，双轴角度模块与CAN接口双向连接，激光测距仪与同步串行接口双向连接，倾角传感器与串口双向连接；通过同步串行接口采集激光测距仪的距离数据，通过CAN接口获取电机伺服轴负载端高精度绝对值编码器的角度位置数据，通过串口来获取倾角传感器的读值，伺服电机的控制通过CAN接口实现；
通讯接口模块由以太网接口芯片和上位机电脑组成，太网接口芯片与上位机电脑双向连接，实现扫描仪和外部设备的高速数据收发。
一种扫描仪控制电路的数据处理方法，包括以下操作步骤：
A)、同步请求指令：
控制电路对所有传感器同步发出数据请求指令；
B)、各传感器响应请求同步返回数据：
①激光测距仪的距离数据通过同步串行接口同步返回数据；
②倾角传感器的读值通过串口同步返回数据；
③电机伺服轴负载端高精度绝对值编码器的角度位置数据通过CAN接口同步返回数据；
C)、坐标变换：
控制电路核心处理模块对获取的同步数据进行高速分析处理，并进行坐标变换；
D)、点云数据生成：
同步数据通过坐标变换方法转换为三维点云数据，获得被扫描对象的三维点云数据模型；
E)、点云数据预处理：
点云预处理包括消除噪声点、插值运算和模型畸形校准等，主要是对原始点云数据进行预先处理，从而得到可用的三维点云数据，为下一步模型特征物理量的提取做准备；
F)、特征物理量提取：
特征物理量提取应用包含但不局限于智能化工程机械施工领域，通过和参考输入量的对比，能实时获取整个三维点云空间内的实际工况和设计标准之间的三维差异数据，也能直接计算三维点云空间内的各种特征物理量；
G)、数据输出：
获取的特征物理量以及所有三维点云数据，能够按照需求打包上传或者实时上传；
H)、完成；
所述的步骤D)中，同步数据通过坐标变换方法转换为三维点云数据的转换方法包括以下操作步骤：
A)、三维坐标系中各轴坐标的计算：
X轴坐标：x＝(radius+L1)×cos(β)+L4；
Y轴坐标：y＝(radius+L1)×sin(β)×cos(α)+L2×cos(α)-L3×sin(α)；
Z轴坐标：z＝(radius+L1)×sin(β)×sin(α)+L2×sin(α)+L3×cos(α)；
其中，radius为激光测距原点至目标点的距离；
α为水平轴相对于零位旋转角度；
β为垂直轴相对于零位旋转角度；
L1为激光出光点到垂直轴的距离；
L2为垂直轴到水平轴距离；
L3为激光出光点到水平轴的距离在垂直轴方向上的分量；
L4为法兰盘靠近扫描仪的表面几何中心到垂直轴的距离在水平轴方向上的分量；
B)、重复步骤A)，对所有获取的同步数据按照上述方法计算一遍，能获取被扫描对象的三维点云数据模型。
实施例一、本发明用于隧道施工中的超挖和欠挖，通过和参考输入量的对比，能实时获取整个三维点云空间内的实际工况和设计标准之间的三维差异数据。
实施例二、本发明用于土木工程中的料堆体积测算，通过和参考输入量的对比，能直接计算三维点云空间内的各种特征物理量。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (4)
1.一种扫描仪控制电路，包括核心运算模块，其特征在于：所述的核心运算模块分别与数据存取模块、采集与控制模块、通讯接口模块双向连接并组成扫描仪控制电路；
核心运算模块包括高速数字处理芯片，负责所有传感数据进行同步匹配、坐标变换、点云数据预处理以及模型目标特征量提取的工作；
数据存取模块由闪存和同步动态存储器组成，主要实现扫描仪各种传感器的数据储存以及各种数据运算中间结果的缓存；
采集与控制模块包括电机控制模块、激光测距仪、倾角传感器、双轴角度模块，电机控制模块与CAN接口双向连接，双轴角度模块与CAN接口双向连接，激光测距仪与同步串行接口双向连接，倾角传感器与串口双向连接；通过同步串行接口采集激光测距仪的距离数据，通过CAN接口获取电机伺服轴负载端高精度绝对值编码器的角度位置数据，通过串口来获取倾角传感器的读值，伺服电机的控制通过CAN接口实现；
通讯接口模块由以太网接口芯片和上位机电脑组成，太网接口芯片与上位机电脑双向连接，实现扫描仪和外部设备的高速数据收发；
所述扫描仪控制电路用于实现以下操作步骤：
A)、同步请求指令：
控制电路对所有传感器同步发出数据请求指令；
B)、各传感器响应请求同步返回数据：
①激光测距仪的距离数据通过同步串行接口同步返回数据；
②倾角传感器的读值通过串口同步返回数据；
③电机伺服轴负载端高精度绝对值编码器的角度位置数据通过CAN接口同步返回数据；
C)、坐标变换：
控制电路核心处理模块对获取的同步数据进行高速分析处理，并进行坐标变换；
D)、点云数据生成：
同步数据通过坐标变换方法转换为三维点云数据，获得被扫描对象的三维点云数据模型；
E)、点云数据预处理：
点云预处理包括消除噪声点、插值运算和模型畸形校准，主要是对原始点云数据进行预先处理，从而得到可用的三维点云数据，为下一步模型特征物理量的提取做准备；
F)、特征物理量提取：
特征物理量提取应用包含但不局限于智能化工程机械施工领域，通过和参考输入量的对比，能实时获取整个三维点云空间内的实际工况和设计标准之间的三维差异数据，也能直接计算三维点云空间内的各种特征物理量；
G)、数据输出：
获取的特征物理量以及所有三维点云数据，能够按照需求打包上传或者实时上传；
H)、完成；
所述的步D)中，同步数据通过坐标变换方法转换为三维点云数据的转换方法包括以下操作步骤：
A1)、三维坐标系中各轴坐标的计算：
X轴坐标：x＝(radius+L1)×cos(β)+L4；
Y轴坐标：y＝(radius+L1)×sin(β)×cos(α)+L2×cos(α)-L3×sin(α)；
Z轴坐标：z＝(radius+L1)×sin(β)×sin(α)+L2×sin(α)+L3×cos(α)；
其中，radius为激光测距原点至目标点的距离；
α为水平轴相对于零位旋转角度；
β为垂直轴相对于零位旋转角度；
L1为激光出光点到垂直轴的距离；
L2为垂直轴到水平轴距离；
L3为激光出光点到水平轴的距离在垂直轴方向上的分量；
L4为法兰盘靠近扫描仪的表面几何中心到垂直轴的距离在水平轴方向上的分量；
B1)、重复步骤A1)，对所有获取的同步数据按照上述A1和B1的方法计算一遍，能获取被扫描对象的三维点云数据模型。
2.一种扫描仪控制电路的数据处理方法，其特征在于：包括以下操作步骤：
A)、同步请求指令：
控制电路对所有传感器同步发出数据请求指令；
B)、各传感器响应请求同步返回数据：
①激光测距仪的距离数据通过同步串行接口同步返回数据；
②倾角传感器的读值通过串口同步返回数据；
③电机伺服轴负载端高精度绝对值编码器的角度位置数据通过CAN接口同步返回数据；
C)、坐标变换：
控制电路核心处理模块对获取的同步数据进行高速分析处理，并进行坐标变换；
D)、点云数据生成：
同步数据通过坐标变换方法转换为三维点云数据，获得被扫描对象的三维点云数据模型；
E)、点云数据预处理：
点云预处理包括消除噪声点、插值运算和模型畸形校准，主要是对原始点云数据进行预先处理，从而得到可用的三维点云数据，为下一步模型特征物理量的提取做准备；
F)、特征物理量提取：
特征物理量提取应用包含但不局限于智能化工程机械施工领域，通过和参考输入量的对比，能实时获取整个三维点云空间内的实际工况和设计标准之间的三维差异数据，也能直接计算三维点云空间内的各种特征物理量；
G)、数据输出：
获取的特征物理量以及所有三维点云数据，能够按照需求打包上传或者实时上传；
H)、完成；
所述的步D)中，同步数据通过坐标变换方法转换为三维点云数据的转换方法包括以下操作步骤：
A1)、三维坐标系中各轴坐标的计算：
X轴坐标：x＝(radius+L1)×cos(β)+L4；
Y轴坐标：y＝(radius+L1)×sin(β)×cos(α)+L2×cos(α)-L3×sin(α)；
Z轴坐标：z＝(radius+L1)×sin(β)×sin(α)+L2×sin(α)+L3×cos(α)；
其中，radius为激光测距原点至目标点的距离；
α为水平轴相对于零位旋转角度；
β为垂直轴相对于零位旋转角度；
L1为激光出光点到垂直轴的距离；
L2为垂直轴到水平轴距离；
L3为激光出光点到水平轴的距离在垂直轴方向上的分量；
L4为法兰盘靠近扫描仪的表面几何中心到垂直轴的距离在水平轴方向上的分量；
B1)、重复步骤A1)，对所有获取的同步数据按照上述A1和B1的方法计算一遍，能获取被扫描对象的三维点云数据模型。
3.根据权利要求2所述的一种扫描仪控制电路的数据处理方法，其特征在于：所述的步骤F)中，特征物理量提取用于隧道施工中的超挖和欠挖，通过和参考输入量的对比，能实时获取整个三维点云空间内的实际工况和设计标准之间的三维差异数据。
4.根据权利要求2所述的一种扫描仪控制电路的数据处理方法，其特征在于：所述的步骤F)中，特征物理量提取用于土木工程中的料堆体积测算，通过和参考输入量的对比，能直接计算三维点云空间内的各种特征物理量。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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