CN112268509A - 一种采用空心关节的激光三维测量仪 - Google Patents

一种采用空心关节的激光三维测量仪 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种采用空心关节的激光三维测量仪。所述激光三维测量仪包括计控制装置、TOF测距仪、承载台、水平旋转空心关节和垂直旋转空心关节；所述控制装置与所述TOF测距仪和承载台电连接；所述水平旋转空心关节安装于所述承载台的上表面；所述垂直旋转空心关节安装于所述水平旋转空心关节的侧壁上；所述承载台、水平旋转空心关节和垂直旋转空心关节内部均设有光路通道和光路反射装置，用于将TOF测距仪入射进来的激光反射至被测目标上。

Description

一种采用空心关节的激光三维测量仪
技术领域
本发明提出了一种采用空心关节的激光三维测量仪，属于三维测量技术领域。
背景技术
TOF(Time of Flight)激光测距技术原理是发射机向对象发射光脉冲，接收器通过计算光脉冲从返回到接收器的运行时间乘以光速来确定被测量对象的距离，广泛应用于汽车自动驾驶的激光雷达、卫星地球测距、建筑物尺寸测量等领域。但是，TOF测距只能进行距离测量，要完成三维测量时，需要调整TOF测距仪的空间方位，同时，当TOF测距仪用于测量远距离目标时，发射机和接收机体积都会增大，当TOF测距仪体积和重量过大时，会导致无法及时有效的对其进行角度旋转调节，也就难以测量远距离空间目标的三维尺寸。
发明内容
本发明提供了一种采用空心关节的激光三维测量仪，用以解决现有TOF测距仪体积和重量过大时，无法及时有效的进行角度旋转调节以及无法测量所述目标的空间三维尺寸的问题，所采取的技术方案如下：
一种采用空心关节的激光三维测量仪，所述激光三维测量仪包括计控制装置、TOF测距仪、承载台、水平旋转空心关节和垂直旋转空心关节；所述控制装置与所述TOF测距仪和承载台电连接；所述水平旋转空心关节安装于所述承载台的上表面；所述垂直旋转空心关节安装于所述水平旋转空心关节的侧壁上；所述承载台、水平旋转空心关节和垂直旋转空心关节内部均设有光路通道和光路反射装置，用于将TOF测距仪入射进来的激光反射至被测目标上。
进一步地，所述承载台的内部设有第一反射镜以及与所述第一反射镜对应配合的光路通道；所述第一反射镜用于将TOF测距仪发出的且进入承载台的激光反射至水平旋转空心关节中。
进一步地，所述水平旋转空心关节的内部设有第二反射镜以及与所述第二反射镜对应配合的光路通道；所述第二反射镜用于将入射至水平旋转空心关节的激光反射至垂直旋转空心关节中。
进一步地，所述垂直旋转空心关节的内部设有第三反射镜以及与所述第三反射镜对应配合的光路通道；所述第三反射镜用于将入射至垂直旋转空心关节的激光反射至被测目标上。
进一步地，所述控制装置包括：
第一反射镜控制模块，用于控制所述第一反射镜转动使激光入射至水平旋转空心关节；
旋转控制模块，用于控制水平旋转空心关节和所述垂直旋转空心关节进行旋转；
测量模块，用于对被测目标进行测量，并获取所述各测量轮廓点的空间坐标；
判断模块，用于判断所述被测目标上的所有轮廓点是否均被测量，如果判断结果为所述被测目标上的所有轮廓点没有均被测量，则重复启动旋转控制模块和测量模块直至所述被测目标上的所有轮廓点均被测量完毕；如果判断结果为所述被测目标上的所有轮廓点均被测量完毕，则启动三维获取模块；
三维获取模块，用于根据测量获得的目标区域的各测量轮廓点的空间坐标绘制所述被测目标的三维图。
进一步地，所述旋转控制模块包括：
水平旋转控制模块，用于控制所述水平旋转空心关节沿水平方向旋转；
垂直旋转控制模块，用于控制所述垂直旋转空心关节沿垂直方向旋转。
进一步地，所述测量模块包括：
距离值获取模块，用于控制所述TOF测距仪依次照射所述被测目标上的测量轮廓点，获取TOF测距仪与被测目标上的测量轮廓点之间的距离值；
空间坐标获取模块，用于利用所述距离值和水平旋转空心关节和垂直旋转空心关节的旋转角度获取被测目标上各测量轮廓点的空间坐标。
进一步地，所述激光三维测量仪的测量过程包括：
步骤1、所述TOF测距仪发射就激光并入射至所述承载台内；
步骤2、所述控制装置控制所述第一反射镜转动使激光入射至水平旋转空心关节；
步骤3、所述控制装置控制水平旋转空心关节和垂直旋转空心关节进行转动，改变所述TOF测距仪发射入射激光的光路，进行被测目标上各测量轮廓点的测量，并获取所述各测量轮廓点的空间坐标；
步骤4、所述控制装置判断所述被测目标上的所有轮廓点是否均被测量，如果判断结果为所述被测目标上的所有轮廓点没有均被测量，则重复步骤2至步骤3的内容直至所述被测目标上的所有轮廓点均被测量完毕；如果判断结果为所述被测目标上的所有轮廓点均被测量完毕，则执行步骤5；
步骤5、所述控制装置根据测量获得的目标区域的各测量轮廓点的空间坐标绘制所述被测目标的三维图。
进一步地，步骤3所述获取所述各测量轮廓点的空间坐标的过程包括：
步骤301、所述控制装置控制水平旋转空心关节和垂直旋转空心关节进行转动，所述水平旋转空心关节和垂直旋转空心关节转动过程中分别带动第二反射镜和第三反射镜进行转动，使最终从垂直旋转空心关节射出的激光照射至被测目标上；
步骤302、所述控制装置控制所述TOF测距仪依次照射所述被测目标上的测量轮廓点，获取TOF测距仪与被测目标上的测量轮廓点之间的距离值；
步骤303、利用所述距离值和水平旋转空心关节和垂直旋转空心关节的旋转角度获取被测目标上各测量轮廓点的空间坐标。
进一步地，利用如下公式获取所述被测目标上各测量轮廓点的空间坐标：
xd＝L·cos(θa)·cos(θc)
yd＝L·cos(θa)·sin(θc)
zd＝L·sin(θc)
其中，xd、yd和zd分别表示所述三个点中，每个点对应的xyz轴坐标值，L表示所述三个点中，每个点对应的TOF测距仪读数，即TOF测距仪与被测目标上的测量轮廓点之间的距离值，θa和θc分别表示所述TOF测距仪在A轴和C轴上的旋转角度，其中，所述A轴表示TOF测距仪沿垂直方向旋转，θa即表示TOF测距仪沿垂直方向旋转的角度；所述C轴表示TOF测距仪沿水平方向旋转，θc即表示TOF测距仪沿水平方向旋转的角度。
本发明有益效果：
本发明提出的一种采用空心关节的激光三维测量仪通过光路转换调节的方式，在TOF测距仪不被移动的情况下，可以使TOF测距仪的激光照射到任意位置的被测目标上，完全避免大体积大重量的TOF测距仪的自身移动或转动调节，极大程度上提高了TOF测距仪在三维测量过程中的角度调节有效性和快速性，进而能够有效提高三维测量的整体效率和准确性。另一方面，利用上述激光三维测量仪检测方法过程，能够实现被测目标的三维数据的自动化测量。同时，有效提高被测目标的三维尺寸测量准确性，并且简化空间平面尺寸测量过程，减少测量过程中的数据处理量，有效提高空间平面尺寸测量的速度和效率。并且，通过上述测量方法过程实现了被测目标任意形状下的三维方向上的快速测量和高精准度测量。
附图说明
图1为本发明所述装置的结构示意图；
图2为本发明所述***的测量原理图；
(1，计控制装置；2，TOF测距仪；3，承载台；4，水平旋转空心关节；5，垂直旋转空心关节；31，第一反射镜；41，第二反射镜；51，第三反射镜)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提出了一种采用空心关节的激光三维测量仪，如图1所示，所述激光三维测量仪包括计控制装置1、TOF测距仪2、承载台3、水平旋转空心关节4和垂直旋转空心关节5；所述控制装置1与所述TOF测距仪2和承载台3电连接；所述水平旋转空心关节4安装于所述承载台3的上表面；所述垂直旋转空心关节5安装于所述水平旋转空心关节4的侧壁上；所述承载台3、水平旋转空心关节4和垂直旋转空心关节5内部均设有光路通道和光路反射装置，用于将TOF测距仪2入射进来的激光反射至被测目标上。
其中，所述承载台3的内部设有第一反射镜31以及与所述第一反射镜31对应配合的光路通道；所述第一反射镜31用于将TOF测距仪2发出的且进入承载台3的激光反射至水平旋转空心关节4中。
所述水平旋转空心关节4的内部设有第二反射镜41以及与所述第二反射镜41对应配合的光路通道；所述第二反射镜41用于将入射至水平旋转空心关节4的激光反射至垂直旋转空心关节5中。
所述垂直旋转空心关节5的内部设有第三反射镜51以及与所述第三反射镜51对应配合的光路通道；所述第三反射镜51用于将入射至垂直旋转空心关节5的激光反射至被测目标上。
上述技术方案的原理为：通过在承载台3、水平旋转空心关节4和垂直旋转空心关节5设置反射镜的方式，在不移动TOF测距仪的情况下，改变所述TOF测距仪的光路。
上述技术方案的效果为：使TOF测距仪的激光照射到任意位置的被测目标上，完全避免大体积大重量的TOF测距仪的自身移动或转动调节，极大程度上提高了TOF测距仪在三维测量过程中的角度调节有效性和快速性，进而能够有效提高三维测量的整体效率和准确性。
本发明的一个实施例，所述控制装置1包括：
第一反射镜控制模块，用于控制所述第一反射镜31转动使激光入射至水平旋转空心关节4；
旋转控制模块，用于控制水平旋转空心关节4和所述垂直旋转空心关节5进行旋转；
测量模块，用于对被测目标进行测量，并获取所述各测量轮廓点的空间坐标；
判断模块，用于判断所述被测目标上的所有轮廓点是否均被测量，如果判断结果为所述被测目标上的所有轮廓点没有均被测量，则重复启动旋转控制模块和测量模块直至所述被测目标上的所有轮廓点均被测量完毕；如果判断结果为所述被测目标上的所有轮廓点均被测量完毕，则启动三维获取模块；
三维获取模块，用于根据测量获得的目标区域的各测量轮廓点的空间坐标绘制所述被测目标的三维图。
所述旋转控制模块包括：
水平旋转控制模块，用于控制所述水平旋转空心关节4沿水平方向旋转；
垂直旋转控制模块，用于控制所述垂直旋转空心关节5沿垂直方向旋转。
所述测量模块包括：
距离值获取模块，用于控制所述TOF测距仪2依次照射所述被测目标上的测量轮廓点，获取TOF测距仪2与被测目标上的测量轮廓点之间的距离值；
空间坐标获取模块，用于利用所述距离值和水平旋转空心关节4和垂直旋转空心关节5的旋转角度获取被测目标上各测量轮廓点的空间坐标。
上述技术方案的原理为：首先，通过第一反射镜控制模块控制所述第一反射镜31转动使激光入射至水平旋转空心关节4；然后，利用旋转控制模块控制水平旋转空心关节4和所述垂直旋转空心关节5进行旋转；随后，通过测量模块对被测目标进行测量，并获取所述各测量轮廓点的空间坐标；然后，门采用判断模块判断所述被测目标上的所有轮廓点是否均被测量，如果判断结果为所述被测目标上的所有轮廓点没有均被测量，则重复启动旋转控制模块和测量模块直至所述被测目标上的所有轮廓点均被测量完毕；如果判断结果为所述被测目标上的所有轮廓点均被测量完毕，则启动三维获取模块；最后，通过三维获取模块根据测量获得的目标区域的各测量轮廓点的空间坐标绘制所述被测目标的三维图。其中，所述控制装置1可以采用电脑等智能设备，同时，上述各模块为所述控制装置中实现对应功能的硬件路模块，也可为所述控制装置中嵌有的控制***的***模块。
上述技术方案的效果为：在TOF测距仪不被移动的情况下，可以使TOF测距仪的激光照射到任意位置的被测目标上，完全避免大体积大重量的TOF测距仪的自身移动或转动调节，极大程度上提高了TOF测距仪在三维测量过程中的角度调节有效性和快速性，进而能够有效提高三维测量的整体效率和准确性。另一方面，利用上述激光三维测量仪检测方法过程，能够实现被测目标的三维数据的自动化测量。同时，有效提高被测目标的三维尺寸测量准确性，并且简化空间平面尺寸测量过程，减少测量过程中的数据处理量，有效提高空间平面尺寸测量的速度和效率。并且，通过上述测量方法过程实现了被测目标任意形状下的三维方向上的快速测量和高精准度测量。
本发明的一个实施例，如图2所示，所述激光三维测量仪的测量过程包括：
步骤1、所述TOF测距仪2发射就激光并入射至所述承载台3内；
步骤2、所述控制装置1控制所述第一反射镜31转动使激光入射至水平旋转空心关节4；
步骤3、所述控制装置1控制水平旋转空心关节4和垂直旋转空心关节5进行转动，改变所述TOF测距仪2发射入射激光的光路，进行被测目标上各测量轮廓点的测量，并获取所述各测量轮廓点的空间坐标；
步骤4、所述控制装置1判断所述被测目标上的所有轮廓点是否均被测量，如果判断结果为所述被测目标上的所有轮廓点没有均被测量，则重复步骤2至步骤3的内容直至所述被测目标上的所有轮廓点均被测量完毕；如果判断结果为所述被测目标上的所有轮廓点均被测量完毕，则执行步骤5；
步骤5、所述控制装置1根据测量获得的目标区域的各测量轮廓点的空间坐标绘制所述被测目标的三维图。
其中，步骤3所述获取所述各测量轮廓点的空间坐标的过程包括：
步骤301、所述控制装置1控制水平旋转空心关节4和垂直旋转空心关节5进行转动，所述水平旋转空心关节4和垂直旋转空心关节5转动过程中分别带动第二反射镜41和第三反射镜51进行转动，使最终从垂直旋转空心关节5射出的激光照射至被测目标上；
步骤302、所述控制装置1控制所述TOF测距仪2依次照射所述被测目标上的测量轮廓点，获取TOF测距仪2与被测目标上的测量轮廓点之间的距离值；
步骤303、利用所述距离值和水平旋转空心关节4和垂直旋转空心关节5的旋转角度获取被测目标上各测量轮廓点的空间坐标。
利用如下公式获取所述被测目标上各测量轮廓点的空间坐标：
xd＝L·cos(θa)·cos(θc)
yd＝L·cos(θa)·sin(θc)
zd＝L·sin(θc)
其中，xd、yd和zd分别表示所述三个点中，每个点对应的xyz轴坐标值，L表示所述三个点中，每个点对应的TOF测距仪读数，即TOF测距仪与被测目标上的测量轮廓点之间的距离值，θa和θc分别表示所述TOF测距仪在A轴和C轴上的旋转角度，其中，所述A轴表示TOF测距仪沿垂直方向旋转，θa即表示TOF测距仪沿垂直方向旋转的角度；所述C轴表示TOF测距仪沿水平方向旋转，θc即表示TOF测距仪沿水平方向旋转的角度。
上述技术方案的效果为：在TOF测距仪不被移动的情况下，可以使TOF测距仪的激光照射到任意位置的被测目标上，完全避免大体积大重量的TOF测距仪的自身移动或转动调节，极大程度上提高了TOF测距仪在三维测量过程中的角度调节有效性和快速性，进而能够有效提高三维测量的整体效率和准确性。另一方面，利用上述激光三维测量仪检测方法过程，能够实现被测目标的三维数据的自动化测量。同时，有效提高被测目标的三维尺寸测量准确性，并且简化空间平面尺寸测量过程，减少测量过程中的数据处理量，有效提高空间平面尺寸测量的速度和效率。并且，通过上述测量方法过程实现了被测目标任意形状下的三维方向上的快速测量和高精准度测量。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种采用空心关节的激光三维测量仪，其特征在于，所述激光三维测量仪包括计控制装置(1)、TOF测距仪(2)、承载台(3)、水平旋转空心关节(4)和垂直旋转空心关节(5)；所述控制装置(1)与所述TOF测距仪(2)和承载台(3)电连接；所述水平旋转空心关节(4)安装于所述承载台(3)的上表面；所述垂直旋转空心关节(5)安装于所述水平旋转空心关节(4)的侧壁上；所述承载台(3)、水平旋转空心关节(4)和垂直旋转空心关节(5)内部均设有光路通道和光路反射装置，用于将TOF测距仪(2)入射进来的激光反射至被测目标上。
2.根据权利要求1所述激光三维测量仪，其特征在于，所述承载台(3)的内部设有第一反射镜(31)以及与所述第一反射镜(31)对应配合的光路通道；所述第一反射镜(31)用于将TOF测距仪(2)发出的且进入承载台(3)的激光反射至水平旋转空心关节(4)中。
3.根据权利要求1所述激光三维测量仪，其特征在于，所述水平旋转空心关节(4)的内部设有第二反射镜(41)以及与所述第二反射镜(41)对应配合的光路通道；所述第二反射镜(41)用于将入射至水平旋转空心关节(4)的激光反射至垂直旋转空心关节(5)中。
4.根据权利要求1所述激光三维测量仪，其特征在于，所述垂直旋转空心关节(5)的内部设有第三反射镜(51)以及与所述第三反射镜(51)对应配合的光路通道；所述第三反射镜(51)用于将入射至垂直旋转空心关节(5)的激光反射至被测目标上。
5.根据权利要求1所述激光三维测量仪，其特征在于，所述控制装置(1)包括：
第一反射镜控制模块，用于控制所述第一反射镜(31)转动使激光入射至水平旋转空心关节(4)；
旋转控制模块，用于控制水平旋转空心关节(4)和所述垂直旋转空心关节(5)进行旋转；
测量模块，用于对被测目标进行测量，并获取所述各测量轮廓点的空间坐标；
判断模块，用于判断所述被测目标上的所有轮廓点是否均被测量，如果判断结果为所述被测目标上的所有轮廓点没有均被测量，则重复启动旋转控制模块和测量模块直至所述被测目标上的所有轮廓点均被测量完毕；如果判断结果为所述被测目标上的所有轮廓点均被测量完毕，则启动三维获取模块；
三维获取模块，用于根据测量获得的目标区域的各测量轮廓点的空间坐标绘制所述被测目标的三维图。
6.根据权利要求5所述激光三维测量仪，其特征在于，所述旋转控制模块包括：
水平旋转控制模块，用于控制所述水平旋转空心关节(4)沿水平方向旋转；
垂直旋转控制模块，用于控制所述垂直旋转空心关节(5)沿垂直方向旋转。
7.根据权利要求5所述激光三维测量仪，其特征在于，所述测量模块包括：
距离值获取模块，用于控制所述TOF测距仪(2)依次照射所述被测目标上的测量轮廓点，获取TOF测距仪(2)与被测目标上的测量轮廓点之间的距离值；
空间坐标获取模块，用于利用所述距离值和水平旋转空心关节(4)和垂直旋转空心关节(5)的旋转角度获取被测目标上各测量轮廓点的空间坐标。
8.根据权利要求1所述激光三维测量仪，其特征在于，所述激光三维测量仪的测量过程包括：
步骤1、所述TOF测距仪(2)发射就激光并入射至所述承载台(3)内；
步骤2、所述控制装置(1)控制所述第一反射镜(31)转动使激光入射至水平旋转空心关节(4)；
步骤3、所述控制装置(1)控制水平旋转空心关节(4)和垂直旋转空心关节(5)进行转动，改变所述TOF测距仪(2)发射入射激光的光路，进行被测目标上各测量轮廓点的测量，并获取所述各测量轮廓点的空间坐标；
步骤4、所述控制装置(1)判断所述被测目标上的所有轮廓点是否均被测量，如果判断结果为所述被测目标上的所有轮廓点没有均被测量，则重复步骤2至步骤3的内容直至所述被测目标上的所有轮廓点均被测量完毕；如果判断结果为所述被测目标上的所有轮廓点均被测量完毕，则执行步骤5；
步骤5、所述控制装置(1)根据测量获得的目标区域的各测量轮廓点的空间坐标绘制所述被测目标的三维图。
9.根据权利要求8所述激光三维测量仪，其特征在于，步骤3所述获取所述各测量轮廓点的空间坐标的过程包括：
步骤301、所述控制装置(1)控制水平旋转空心关节(4)和垂直旋转空心关节(5)进行转动，所述水平旋转空心关节(4)和垂直旋转空心关节(5)转动过程中分别带动第二反射镜(41)和第三反射镜(51)进行转动，使最终从垂直旋转空心关节(5)射出的激光照射至被测目标上；
步骤302、所述控制装置(1)控制所述TOF测距仪(2)依次照射所述被测目标上的测量轮廓点，获取TOF测距仪(2)与被测目标上的测量轮廓点之间的距离值；
步骤303、利用所述距离值和水平旋转空心关节(4)和垂直旋转空心关节(5)的旋转角度获取被测目标上各测量轮廓点的空间坐标。
10.根据权利要求9所述激光三维测量仪，其特征在于，利用如下公式获取所述被测目标上各测量轮廓点的空间坐标：
xd＝L·cos(θa)·cos(θc)
yd＝L·cos(θa)·sin(θc)
zd＝L·sin(θc)
其中，xd、yd和zd分别表示所述三个点中，每个点对应的xyz轴坐标值，L表示所述三个点中，每个点对应的TOF测距仪读数，即TOF测距仪与被测目标上的测量轮廓点之间的距离值，θa和θc分别表示所述TOF测距仪在A轴和C轴上的旋转角度。
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