[发明专利]基于二维激光雷达的车斗形容器三维扫描系统测量方法

权利要求书

1.一种基于二维激光雷达的车斗形容器三维扫描系统测量方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

首先对测量系统进行标定，将标定件内部做成中空的三菱柱，三棱柱底面为等边三角形，将二维激光雷达安装在指定位置，并将标定件放置于二维激光雷达正下方的地平面上，使内部三棱柱的一个侧面与扫描平面平行，保证初始位置及二维激光雷达被旋转工作台带动旋转180度后的扫描平面都与标定件内部的三棱柱的底边有交点，用标定方法对该系统进行标定，得到标定后的旋转矩阵；

将标定件移走，将车斗形容器放在二维激光雷达的正下方，装有点云数据存储和处理程序的计算机发送旋转指令给电机，并同时发送扫描指令给二维激光雷达，使电机带动旋转工作台及安装在工作台上边的二维激光雷达对被测物体扫描；

将扫描得到的数据保存到装有点云数据存储和处理程序的计算机，把数据转换成三维点云的形式，并将其绘制在电脑屏幕上；

对三维点云进行三角网格构建，还原出车斗形容器的三维网格模型，通过对车斗形容器边界数据的提取，计算出车斗形容器的外形尺寸。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述坐标系如下建立：

建立两个坐标系：（1）旋转工作台坐标系o-xyz；（2）激光雷达坐标系o₁-x₁y₁z₁，其中，旋转工作台坐标系的原点在旋转工作台（2）的旋转中心，z轴正方向垂直于地面向下，当面对二维激光雷达（1）初始位置的顶端站立时，y轴正方向平行于地平面向左，x轴方向由右手定则判断；定义激光雷达坐标系的y₁轴、z₁轴的正方向与自身二维坐标系坐标轴的正方向相同，x₁轴的方向根据右手定则判断。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于所述标定使用如下方法：

首先建立对车斗形容器外形尺寸的测量系统，所述系统安装在被扫描车斗形容器的正上方，通过旋转二维激光雷达的扫描平面，完成对车斗形容器的扫描，实现三维扫描，所述系统所采用的硬件包括：二维激光雷达（1），旋转工作台（2），电机（3），支架（4），装有点云数据存储和处理程序的计算机（5）和标定件（6），二维激光雷达（1）的扫描平面位于激光雷达的前端，垂直于激光雷达侧面，二维激光雷达（1）安装到旋转工作台（2）的台面上，电机（3）安装在旋转工作台（2）的侧面，带动旋转工作台（2）的台面在水平面上完成旋转动作，进而带动安装在旋转工作台（2）台面上的二维激光雷达（1）转动，旋转工作台（2）的上端安装在支架（4）上，而支架（4）安装到距离地面有一定高度的某一固定位置，并保证旋转工作台（2）的台面与地面平行，装有点云数据存储和处理程序的计算机（5）放置在二维激光雷达（1）的扫描范围外，二维激光雷达（1）和电机（3）分别通过数据传输线与装有点云数据存储和处理程序的计算机（5）连接到一起，标定件（6）是内部为中空三棱柱的长方体，标定件（6）放在二维激光雷达（1）正下方的地面上；

将支架（4）安装到距离地面有一定高度的某一固定位置，使旋转工作台（2）的台面与地平面尽量保持平行，并将标定件（6）放置于选转工作台正下方的地平面上，控制二维激光雷达（1），对该位置下的标定件（6）扫描一次，保存扫描数据；

对上步扫描的数据进行处理，用最小二乘法拟合出二维激光雷达（1）的扫描平面与标定件（6）所交各线段的直线方程；

利用上步求得的相应直线方程进行两两组合求解，求出交点坐标，即为二维激光雷达（1）的扫描平面与标定件（6）棱边的交点坐标，由此可得到任意两交点之间的距离，并根据所求得的距离与标定件（6）高度的三角函数关系计算出绕y坐标轴的旋转角β；

将二维激光雷达（1）旋转180度，对标定件（6）扫描第二次，对扫描数据进行同上的数据处理，将旋转工作台坐标系的原点o向激光雷达坐标系的o₁x₁y₁平面投影于点o^’，得到两坐标系原点在o₁x₁y₁平面内的距离为o₁o^’，而o^’o的距离h在安装过程中测量得到，则激光雷达的扫描平面应垂直于o₁x₁y₁平面以o₁o^’为半径绕o^’做圆周运动，定义o₁o^’为旋转圆半径R，根据两次扫描所求得的扫描平面与棱边交点之间的距离及其几何关系计算求得旋转圆半径R；

利用最小二乘法拟合出二维激光雷达（1）的扫描平面与底面交线的直线方程，根据直线方程的斜率，计算出绕x轴的旋转角γ；

将二维激光雷达（1）逆向旋转180度，回到起始位置；

将计算得到的标定数据，带入到坐标系转换的平移和旋转矩阵中，由此完成该系统的标定。