[发明专利]基于单片机光栅双读数头的三维激光扫描测量系统

说明书

1技术领域

该发明属于三维空间信息获取技术领域。

2背景技术

三维空间信息获取技术是构建数字城市、数字地球中的关键技术之一。如何快速地获取所研究对象的高精度的三维数据就变得非常重要。就光学遥感系统而言，三维数据获取方式主要分为三维点数据获取、三维线数据获取和三维面数据获取。激光测量技术既可用来进行三维点数据获取，也可用来进行三维线数据获取和进行三维面数据获取。采用了激光测距技术的全站仪就可用来进行三维点数据获取，全站仪属于三维点数据激光测量仪器。在激光点距测量的基础上，如果能够在一个平面内控制激光点的发射方向，则可进行三维线数据获取，2D激光扫描测距仪就属于这类的传感器，它能够被用来进行三维线数据获取。如果进一步在2D激光扫描测距仪的基础上，增加在与2D激光扫描测距仪的扫描面相垂直的平面内的旋转控制，则可构成三维激光扫描测量系统。三维激光扫描测量系统可以完成三维面数据获取。

目前市场上的三维激光扫描测量系统技术复杂、价格昂贵，限制了三维激光测量技术的推广应用。相比而言，2D激光扫描测距仪的价格则相对低廉。如何利用成熟的2D激光扫描测距仪技术发展一种精度较高、价格较低的三维激光扫描测量系统是非常必要的。因此必须解决高精度的转角测量问题和不同设备之间的时间同步问题。转角测量通常采用2种方式，即电机的转动周数测量方式和转盘的实际转动角测量方式。电机的转动周数测量方式存在机械传动误差，或电机丢步和多步产生的计数误差；实际转动角测量方式通常采用测量圆弧来求出对应的转角的方法，因而存在偏心误差的影响。从理论上来说，实际转动角测量方式的可靠性更高，但需要解决偏心误差的影响问题。正是在这样的技术背景下，本发明提出了基于单片机光栅双读数头的三维激光扫描测量系统，可以较好地解决转角测量中偏心误差的影响。

3发明内容

基于单片机光栅双读数头的三维激光扫描测距系统主要由机械旋转台单元、高精度转角测量单元、2D激光扫描测距单元、单片机控制单元、上位机等组成(参见附图1、附图2)。

机械旋转台单元由机械旋转台转盘(1)、机械传动装置(7)、伺服电机(8)组成。

高精度转角测量单元由光栅(2)、读数头(3)和(4)、(5)组成。

在该系统中，上位机(6)进行系统的协调同步控制，负责接收2D激光扫描测距单元(9)的测量数据和高精度转角测量单元的测量数据；单片机控制单元(5)根据上位机的指令负责控制机械旋转台的运动及处理两个光栅读数头(3)和(4)的计数，向上位机传送机械旋转台转盘(1)的转角信息；2D激光扫描测距单元固定在机械旋转台转盘之上，其负责在竖直方向进行激光测量；机械旋转台则负责水平方向上的转动，使系统完成三维激光测量；高精度转角测量单元则进行机械旋转台的转动角测量。

高精度转角测量及控制技术是三维激光测量系统中的关键技术之一。在本发明中，采用了光栅和双读数头组合技术，光栅(尺)固定于机械旋转台转盘的外圆周上，两个读数头分别安装在通过机械旋转台转盘两侧的直径的延长线上。单片机用来处理两个特殊放置的读数头的计数值，通过这样的设计和数据处理可以消除或减弱由于机械旋转台转盘中心与其实际旋转中心之间的偏心所引起的转角测量误差，从而提高了转角测量的精度。

在本发明中，设计由单片机控制伺服电机带动机械旋转台转动，其转角测量由单片机进行时间控制，而2D激光扫描测距仪由其内部的时钟系统进行时间控制，因此必须解决转角测量与2D激光测量在时间上的同步问题。本系统的思路是，系统时间同步由上位机进行控制，以上位机时间为基准，将单片机时间和2D激光扫描测距仪时间进行同步，通过采用加时间戳的方式来实现转角测量与2D激光扫描测量的时间同步。

4附图说明

附图图1为系统俯视图，附图图2为系统侧视图。

在图1、图2中，(1)为系统的机械旋转台转盘；(2)为光栅尺；(3)和(4)为读数头；(5)为单片机控制装置；(6)为上位机；(7)为机械传动机构；(8)为伺服电机；(9)为2D激光扫描测距仪。

5具体实施方式

本发明的具体实施方式为：由(1)、(7)、(8)组成旋转台机械部分，(1)与(7)固连，(7)与(8)固连，由(5)控制(8)通过(7)带动(1)进行转动；(2)固连于(1)的外圆周上，由(2)、(3)、(4)和(5)组成转角测量部分；(9)固连于(1)上，通过(1)带动(9)的转动；(6)通过(5)控制旋转台转动和控制转角测量，同时(6)控制(9)进行激光测量，实现转角测量与激光测量的同步，组成三维激光测量系统。