一种双旋轴挂载式激光扫描仪的制作方法

1.本发明涉及激光扫描仪技术领域，尤其涉及一种双旋轴挂载式激光扫描仪。


背景技术：

2.自从1839年由daguerre和niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(x、y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(x、y、z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(dlg、dtm、gis及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足“数字地球”对测绘的要求。
3.随着我国经济发展进入新时代,以及信息化进程的不断加快，现有的基础测绘成果是按照多年不变的标准生产的，虽然形式上演变成了数字的，但执行的标准还是纸质地形图的标准，成果品种单一、社会经济和人文信息不全，基础测绘成果标准化、制式化的产品形式，并不能适应信息化社会和地理信息产业发展多样化、精细化、个性化的需求。同时，由于投入不足和统筹协调不够等原因，基础测绘成果更新速度难以满足实际需要，国、省、市县数据难以共享，做不到协同更新和服务。由提供传统的大地测量控制点成果，转变为可提供高精度的实时测绘基准定位、高精度大地水准面等；由原来提供不同比例尺地形图或“4d”数据产品，转变为可提供按需定制地形图、专题图、内容丰富的高精度基础地理信息数据；由原来只能提供国内陆地范围基础地理信息，转变为可提供海洋和全球范围的数据；由原来只能提供版本式基础地理数据，转变为可提供多时态的增量数据。
4.三维激光扫描仪按照扫描成像方式的不同，激光扫描仪可分为一维(单点)扫描仪、二维(线列)扫描仪和三维(面列)扫描仪。而按照不同工作原理来分类，可分为脉冲测距法(亦称时间差测量法)和三角测量法。脉冲测距法：激光扫描仪由激光发射体向物体在时间t1发送一束激光，由于物体表面可以反射激光，所以扫描仪的接收器会在时间t2接收到反射激光。由光速c，时间t1，t2算出扫描仪与物体之间的距离d＝(t2-t1)c/2。脉冲测距式3d激光扫描仪，其测量精度受到扫描仪系统准确地量测时间的限制。当用该方式测量近距离物体的时候，由于时间太短，就会产生很大误差。所以该方法比较适合测量远距离物体，如地形扫描，但是不适合于近景扫描。三角测距法：用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用ccd(图像传感器)光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度θ。然后结合已知激光光源与ccd之间的基线长度d，经由三角形几何关系推求扫描仪与物体之间的距l≈dtanθ。三角测量法的特点：结构简单、测量距离大、抗干扰、测量点小(几十微米)、测量准确度高。但是会受到学元件本身的精度、环
境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面特征等因素的影响。三维激光扫描仪的优势特点简单的可以概括为如下几点：1、非接触测量，主动扫描光源；2、数据采样率高；3、高分辨率、高精度；4、数字化采集、兼容性好；5、可与无人机倾斜摄影系统、gps系统配合使用，极大地扩展了三维激光扫描技术的使用范围。目前，激光雷达有机械式、转镜(半固态式)、mems(半固态式)、固态式(opa)、半固态式(flash)。其中机械式能够做到一个超大范围的扫描范围，但是由于激光雷达无法穿透物体而且经过数次折射后的光就会出现点云稀疏和大面积的误差。在大范围，复杂场景下的扫描并不能做到100％的扫描完成程度，并且固定到一个点以后激光雷达模组受限于放置地形的影响，没法发挥出激光雷达全部的能力。
5.现有技术cn210882664u公开了一种无人机激光扫描仪挂载装置，包括无人机，所述无人机的底部栓接有挂板，解决了现有挂载装置都是采用固定栓接的方式进行挂载，且这种方式不能根据使用者需求进行调节的问题，使用该挂载装置能够方便使用者根据激光扫描仪的型号大小，对该挂载装置进行调节，从而实现对其进行挂载。但是，现有技术方案主要存在的问题是体积大，重量大，不易搬运，尤其像无人飞行器挂载的方式，对激光雷达扫描仪的体积与重量要求更高。且扫描方式固定，扫描范围小，扫描视界窄。扫描的过程中只能放在三脚架或者固定箱体之上，扫描位置和扫描范围相对固定，不够灵活，并且扫描位置间隔20米，扫描区域无法超过1m3，在例如隧道内的场景当中，无法做到整体移动，扫描的视界也普遍小于90度，在使用过程中直接导致了工作效率的低下，以及扫描精度低，误差大，不适合于近景的扫描，对环境的要求比较高等一系列的问题。如何克服上述现有技术方案的不足,成为本技术领域亟待解决的课题。


技术实现要素：

6.为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种双旋轴挂载式激光扫描仪，具体的，是一种用于无人飞行器三维激光扫描获取高精度高分辨率数字模型的双旋轴挂载式激光扫描仪。本发明具体采用如下技术方案。
7.一种双旋轴挂载式激光扫描仪，包括雷达主体部分、飞行器装置；
8.所述雷达主体部分包括：激光雷达、第一电镀金属塞、第一螺钉、机械臂、导电滑环、第一电机、第二电镀金属塞；
9.所述飞行器装置包括：螺旋桨、机翼电机、充电接头盖板、充电接头、飞行器主体、箱体、雷达组件固定底座、螺旋桨支架。
10.进一步，激光雷达固定于机械臂上方的凹槽内，通过螺钉与机械臂相固定，并用第二电镀金属塞遮盖。
11.进一步，机械臂通过三个第一螺钉与第一电机固定，导电滑环穿过机械臂的中心孔，与第一电机通过螺钉固定，通过第一电镀金属塞将机械臂的中心孔遮盖住。
12.进一步，第一电机与雷达组件固定底座通过螺钉相互固定，雷达组件固定底座通过螺钉与箱体固定。
13.进一步，箱体通过螺口旋转的方式与飞行器主体拧紧固定。
14.进一步，飞行器主体四角分别设置有锁扣，用于与4个螺旋桨支架之间进行快速扣紧固定。
15.进一步，螺旋桨支架的另一端通过锁扣扣紧的方式与4个机翼电机实现固定。
16.进一步，机翼电机顶部的电机输出轴与螺旋桨轴向固定。
17.进一步，飞行器主体的上方设置圆孔，圆孔内插入充电接头并通过螺口旋拧的方式将充电接头盖板与飞行器主体固定连接。
18.10.一种双旋轴挂载式激光扫描仪的扫描方法，所述方法采用如权利要求1-9任意一项所述的双旋轴挂载式激光扫描仪，其特征在于，所述方法包括：
19.基于激光雷达slam的3d地图构建；
20.联合惯性测量信息移除扰动；
21.基于惯性导航与icp的联合姿态估计；
22.采用迭代最近点算法(iterative closest point,icp)进行位姿估计和点云融合。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
23.1、本发明结构简便，没有多余配件，可操作性强，精确度高，价格低廉，根据需要可以设计制造出不同尺寸和精度的产品，不仅适用于地面的测绘，而且适用于隧道的整体性三维建模，具有很高的经济效益和社会效益，适用于不同大小和尺寸的环境的建模，在环境测量中具有广泛的应用价值；
24.2、有效解决了固定式位扫描，只能为设备提供比较窄的视界范围，扫描视界小于90
°
，成像的现场窗口窄，扫描效率低，工作效率低下的问题。
25.3、该发明通过飞行扫描的方式解决了大型场景测绘时地面扫描的不便与困难，使得一次性扫描更大场景范围以及扫描超高物体场景变得更加简便易实现。
附图说明
26.图1是本发明双旋轴挂载式激光扫描仪的轴侧结构示意图。
27.图2是本发明双旋轴挂载式激光扫描仪的俯视结构示意图。
28.图3是本发明双旋轴挂载式激光扫描仪的侧边结构示意图。
29.图4是本发明双旋轴挂载式激光扫描仪的背面结构示意图。
30.图5是本发明双旋轴挂载式激光扫描仪的雷达组件结构示图。
31.图6是本发明双旋轴挂载式激光扫描仪的飞行器结构示意图。
32.图7是本发明基于激光雷达slam的3d地图构建方法示意图。
33.图8是本发明的点云融合示意图。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。
35.除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
36.本发明的具体实施例涉及一种同心双轴挂载式激光扫描仪，做到在复杂环境下的大范围3d建模，以解决现有技术中激光雷达受限于放置的位置造成激光雷达只能聚焦于放置的地方，想要对全部范围的地形进行扫描的时候需要更换地方，甚至是需要人工去进行补充的问题。
37.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
38.本发明提供一种同心双轴挂载式激光扫描仪，包括雷达主体部分、飞行器装置。
39.所述雷达主体部分包括：激光雷达1、第一电镀金属塞2、第一螺钉3、机械臂4、导电滑环5、第一电机6、第二电镀金属塞7。
40.所述飞行器装置包括：螺旋桨8、机翼电机9、充电接头盖板10、充电接头11、飞行器主体12、箱体13、雷达组件固定底座14、螺旋桨支架15。
41.安装时，首先将机械臂4通过三个螺丝钉孔3与第一电机6固定，导电滑环5穿过机械臂4的中心孔，与第一电机6通过螺钉相固定，并通过第一电镀金属塞2将机械臂4的中心孔遮盖住，同时，激光雷达1固定于机械臂4下方的凹槽内，通过螺钉13与机械臂4相固定，并用第二电镀金属塞7遮盖。
42.通过螺钉将雷达组件固定底座14与箱体13相互固定，箱体13通过螺口旋转的方式与飞行器主体12拧紧固定，飞行器主体12四角分别有4个锁扣，从而实现与4个螺旋桨支架15之间的快速扣紧固定，螺旋桨支架15的另一端同样通过锁扣扣紧的方式与4个机翼电机9实现固定，机翼电机9顶部的电机输出轴与螺旋桨电机8轴向固定，最后在飞行器主体12的上方圆孔内插入充电接头11并通过螺口旋拧的方式将充电接头盖板10与飞行器主体12固定。
43.本发明可在扫描过程中能够做到实时全方位扫描，实际使用时，激光雷达1，内部为激光发射器和激光接收器，能够向一定范围发射激光，接受反射激光。第一电镀金属塞2，保护从机械臂4内部通过的激光雷达线束，螺钉3，将机械臂4固定到电机6旋转部分，机械臂4由电机6带动，尾端安装激光雷达，带动激光雷达完成另一平面的360度旋转，导电滑环5，将旋转线束与箱体内电子设备分离，并传导信号，第二电镀金属塞7保护内部线束。螺旋桨8，为飞行器提供升力，带动激光雷达飞行进行大范围扫描，机翼电机9为螺旋桨8提供动力，充电接头盖板10固定充电接头11，充电接头11为飞行器内部电池充电，飞行器主体12周围放置4个螺旋桨支架用于固定螺旋桨，箱体13放置激光雷达内部电子设备，雷达组件固定底座14连接飞行器和激光雷达组件。
44.激光雷达原理与作用
45.系统的核心是雷达组件，其中负责扫描的为激光雷达扫描系统，包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。
46.其原理为激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。
47.因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，激光器的位置和激光发射方向，准确地计算出每一个地面光斑的坐标x，y，z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。
48.举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十
万个点。一般而言，激光雷达系统的地面光斑间距在2-4m不等。
49.激光雷达最基本的工作原理与雷达非常相近，即由雷达发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。脉冲激光不断地扫描目标物，就可以得到目标物上全部目标点的数据，用此数据进行成像处理后，就可得到精确的三维立体图像。
50.至于目标的径向速度，可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度。
51.本发明采用基于激光雷达slam的3d地图构建方法。
52.激光扫描仪在移动过程中识别到重复路径后，将该路径视为一个“回环”并构建图模型，通过使目标函数(即总体误差)最小化的方式来提高地图精度，避免地图模糊、重复或断裂。如果回环检测成功，可以显著地减小累积误差，进行更精准、快速的避障导航工作，因此，回环检测在大面积、大场景地图构建上是非常有必要的。
53.slam采用图优化的方式进行建图，当激光扫描仪运动到已经探索过的原环境时，slam可依赖内部的拓扑图进行主动式的闭环检测。当发现了新的闭环信息后，slam使用bundle adjustment(ba)等算法对原先的位姿拓扑地图进行修正(即进行图优化)，从而能有效的进行闭环后地图的修正，实现更加可靠的环境建图。构建3d地图时，对于位置a和位置b，计算它们之间的相似性评分：s(a,b)，使用tf-idf方法。如附图7所示。
54.tf表示：某特征在一幅图像中经常出现，它的区分度就越高。idf的思想是，某特征在字典中出现的频率越低，则分类图像时的区分度越高。
55.对于idf部分，假设所有特征数量为n，某个节点的wi所含的数量特征为ni，那么该单词的idf为：
[0056][0057]
是指某个特征在单副图像中出现的频率。假设图像a中单词wi出现了n次，而一共出现的单词次数是n，那么tf为：
[0058][0059]
使用l1范数形式计算俩副图像相似度：
[0060][0061]
上式中，va表示位置a地图中所有特征的tf-idf的集合、vb表示位置b地图中所有特征的tf-idf的集合、v
ai
表示a地图中单个特征的tf-idf、v
bi
表示b地图中单个特征的tf-idf。
[0062]
本发明通过联合惯性测量信息移除扰动。
[0063]
在设备运行过程中，不可避免的会存在一些晃动，点云扰动存在于每一帧，影响位姿估计的准确度。因此，移除点云扰动非常必要。这里，主要考虑由于平台的非均匀运动导致的点云运动扰动。实施步骤如下：
[0064]
第1步：用时间戳标记激光帧中的激光点，每一帧的所有激光点都被标记时间戳，其中是激光帧的扫描周期，t
start
是起始激光点时间戳，t
curr
是当前激光点时间戳。
[0065][0066]
式中θ
curr
是当前激光扫描角度，θ
end
是最终激光扫描角度。
[0067]
第2步：找到从时间戳k到k+1的连续imu测量，它是最接近当前激光点时间戳t
curr
的imu测量。
[0068]
第3步：通过整个过程，可以获得imu在时刻k和k+1在世界坐标系中的位姿，
[0069][0070][0071]
第4步：使用线性插值方法以确定imu在时刻t
curr
在世界坐标系中的位姿，其等价于找到当前位姿公式如下：
[0072][0073][0074][0075]
第5步：要解决的是当前激光点相对开始点由于非均匀运动导致的运动扰动。由于当前激光点和开始点的位置和速度可以获得通过可以得到运动扰动在开始的激光坐标系中。
[0076][0077][0078]
第6步：变换开始点坐标系中的所有激光点，并且对每个激光点，提取它们的点云运动扰动
[0079]
本发明使用基于惯性导航与icp的联合姿态估计的算法。
[0080]
选用迭代最近点算法(iterative closest point,icp)进行位姿估计和点云融合。点云融合是构建地图过程中的关键步骤，需要通过坐标平移和旋转，将不同位置姿态的激光雷达获取的点云转换成统一的坐标系，并拼接成一个完整点云，如附图8所示。
[0081]
通过迭代最近点算法，可以将一个点云通过刚性旋转平移矩阵转换到目标点云所在的参考系，实现两个点云的坐标系统一。点云的坐标转换关系式为
[0082][0083]
式中，[x y z]
t
表示目标点云，[x y z]
t
表示原始点云，α、β、γ分别为绕x、y、z轴的旋转角度，δx、δy、δz分别为沿x、y、z轴方向的平移量，
[0084][0085]
对于点云p和点云x，其各含有n
p
和nx个点，使用迭代最近点算法计算旋转矩阵和平移矩阵的步骤为：
[0086]
第一步：对点云p进行齐次坐标变换，并在点云x中寻找点云p中各点的欧氏距离最近点，将最近的两点作为匹配点对，计算全部匹配点对的欧式距离平方和
[0087][0088]
式中，xi为点云x中各点的坐标，pi为点云p中各点的坐标。
[0089]
第二步：计算点云p的质心u
p
和点云x的质心u
x
：
[0090][0091]
第三步：计算两点云的协方差矩阵：
[0092][0093]
第四步：根据协方差矩阵的反对称阵
[0094][0095]
构造δ＝(a
23
,a
31
,a
12
)
t
，可得：
[0096][0097]
式中，i3为3
×
3单位矩阵。
[0098]
四元数组可以表示为：
[0099]
qr＝(q0,q1,q2,q3)
[0100]
其中，qr为刚性旋转矩阵，为：
[0101]
r＝[r
1 r
2 r3]
[0102]
其中r1、r2、r3分别为：
[0103][0104][0105][0106]
平移矩阵：
[0107]
qr＝u
x-r(qr)u
p
[0108]
导电滑环原理与作用
[0109]
电气设计过程中，导线需连接到旋转部件上，为保证电流或信号可以精准的传输到旋转部件上，需要一个电旋转连器来传输动力和信号的旋转连接，因此采用了导电滑环，能够解决激光雷达在360度旋转过程中导线缠绕问题。导电滑环的存在能够大大简化系统结构，避免导线在旋转过程中造成损伤。
[0110]
为实现激光雷达绕单轴360
°
全方位的场景扫描的功能，本发明创新采用了导电滑环这一电气结构，从而解决了激光雷达在360度旋转过程中导线缠绕问题。
[0111]
导电滑环是一个可以从固定装置传输电流、数据信号到旋转装置的机电部件，也称之为导电环、集电环、汇流环、电刷、旋转电气关节或电气转头。滑环可以应用于任一要求无限制连续旋转的机电系统中，已广泛应用于游乐、通信、安防、电力、仪表、化工、医疗、雷达、航空、军事、船舶、运输、建筑、工业自动化等机电设备上。
[0112]
导电滑环是利用导电环的滑动接触、静电耦合或电磁耦合，在固定座架转动部件与滚动或滑动部件之间传递电信号和电能传递的精密输电装置。广泛应用于要求提供无限制，连续或断续的360度旋转，提供多通路的旋转动力、数据和讯号时的所有机电系统。其大大简化系统结构，避免导线在旋转过程中造成扭伤。
[0113]
工作原理是旋转和静止之间的运转，一个从固定装置传输电流和数据的信号到一个旋转装置的机电部件，内部可以分为电滑环、光滑环以及流体滑环，而且这些滑环有一个共同的名字，名为旋转连通，滑环一般安装在设备的旋转中心，主要是旋转和静止两个部分，旋转称为转子、静止称之为是定子。
[0114]
而转子和定子之间是不会出现交叉和干涉的，因为两者之间的设计结构都通过了精密叠加，在组装的时候就会一一对应，形成之间的通路，不会出现互相干涉的情况。
[0115]
导电滑环的存在能够大大简化系统结构，避免导线在旋转过程中造成损伤。
[0116]
同心双轴结构原理与作用
[0117]
本发明的双轴精密仪器结构相比于单轴激光雷达扫描仪创新性实现了单扫描仪可同时实现绕y,z两轴的场景扫描，极大的提高了扫描场景的丰富程度，减少了同一工作的重复性，并提高了工作效率。
[0118]
本发明的双轴精密仪器结构相比于传统单面激光雷达创新实现了绕单轴360
°
全方位的场景扫描，使扫描场景不在受限于雷达的视野开度，并且不再有单方面的死角存在，通过单面绕轴旋转的方式实现全方位的扫描也极大的降低了研发与制作成本，不需要再为了激光雷达单方向更广的视野而投入过多的研发成本与研究精力。
[0119]
通过本发明的同心双轴设计，成功将扫描视界从90
°
提升到了360
°
，大大提高了成像的现场窗口，从而通过单次扫描时间内扫描更多的物体提高了扫描效率与工作效率，解决了目前激光雷达扫描仪的主要问题。
[0120]
同时本发明的同心双轴设计模块化程度高，零部件精简，精确度高，操作难度低；可以此同心双轴模块为核心延展设计各种适配其他功能的延展产品。
[0121]
飞行器组件结构原理与作用
[0122]
本发明创新性的采用了多旋翼无人机，其为一种具有三个及以上旋翼轴的特殊的无人驾驶旋翼飞行器。其通过每个轴上的电动机转动，带动旋翼，从而产生升推力。旋翼的总距固定，而不像一般直升机那样可变。通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变单轴推进力的大小，从而控制飞行器的运行轨迹。
[0123]
其特点为操控性强，可垂直起降和悬停，主要适用于低空、低速、有垂直起降和悬停要求的任务类型。
[0124]
本发明的无人飞行器挂载式结构创新式的实现了挂载激光雷达扫描仪进行全场景扫描的工作方式，相比于传统固定式激光雷达扫描仪只能固定在单一位置对特定一个方向进行扫描，本发明可以随时随地对任何场景进行全方位无死角的扫描与数字化模型重建，极大的提高了激光雷达扫描仪的便携度；拓宽了激光雷达扫描仪的工作场景。
[0125]
如上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。