一種用于獲取目標(biāo)物空間分布的激光掃描測量裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于獲取目標(biāo)物空間分布的激光掃描測量裝置，包括：激光測距儀模塊、全球定位模塊、姿態(tài)測量模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，激光測距儀模塊對目標(biāo)物進行激光掃描確定目標(biāo)物上若干掃描點的相對位置，全球定位模塊和姿態(tài)測量模塊可獲得掃描測量裝置在大地坐標(biāo)系中的位置及其姿態(tài)，數(shù)據(jù)處理模塊通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到掃描點在大地坐標(biāo)系的位置即目標(biāo)物的空間分布情況。本發(fā)明還提供了一種用于獲取目標(biāo)物空間分布的激光掃描測量方法，掃描測量過程快捷高效，適用于對任意外形目標(biāo)物的掃描測量。
【專利說明】—種用于獲取目標(biāo)物空間分布的激光掃描測量裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及測繪【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用于獲取目標(biāo)物空間分布的激光掃描測量裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]三維激光掃描儀利用激光測距裝置記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，快速復(fù)建出被測目標(biāo)物的三維模型及其線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集地大量獲取目標(biāo)對象的數(shù)據(jù)點，因此相對于傳統(tǒng)的測繪技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)有其突破性。
[0003]根據(jù)大量研究分析發(fā)現(xiàn)，三維激光掃描技術(shù)雖然能夠快速地繪制目標(biāo)物的三維點云圖，但是在特定情況下使用仍存在弊端。例如，針對堆儲現(xiàn)代化管理中的煤炭等大宗散貨的工作，需要便捷、準(zhǔn)確地測量出例如儲煤基地的煤垛體積，進而折算質(zhì)量等參數(shù)，是儲煤基地科學(xué)管理的重要工作。其中，若采用三維激光掃描技術(shù)，首先需要根據(jù)煤垛堆場情況，在煤垛周圍選取多個特定的固定點，在固定點位置上對煤垛進行三維激光掃描，再將每個固定點視角獲得的掃描點拼接起來，最終形成煤垛的點云圖，得到煤垛整體空間分布情況，進而計算煤垛體積等。該種掃描測量方式需要根據(jù)堆場情況人工確定多個具有代表性的固定點作為掃描位置，還需要對不同位置視角獲得的掃描點進行精確拼接，掃描測量過程復(fù)雜，另外，三維激光掃描儀的價格昂貴，多在百萬元以上，使用成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種用于獲取目標(biāo)物空間分布的激光掃描測量裝置和方法，能夠方便快捷地獲得目標(biāo)物的空間分布參數(shù)，且適用于對任意外形目標(biāo)物的掃描測量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]圖1為本發(fā)明用于獲取目標(biāo)物空間分布的激光掃描測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0006]圖2為本發(fā)明用于獲取目標(biāo)物空間分布的激光掃描測量方法框圖。
[0007]圖3為以煤垛為目標(biāo)物的實施例處理示意圖。
[0008]圖4為圖3實施例中煤垛表面三維點云圖的示意圖。
[0009]圖5為對任一掃描點進行三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的坐標(biāo)系關(guān)系不意圖。
[0010]圖6為利用本發(fā)明實施例多次測量同一煤垛所得體積值的比較曲線圖。
【具體實施方式】
[0011]以下結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細描述。
[0012]圖1為本發(fā)明用于獲取目標(biāo)物空間分布的激光掃描測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，包括激光測距儀模塊11、全球定位模塊12、姿態(tài)測量模塊13和數(shù)據(jù)處理模塊14，
[0013]激光測距儀模塊11包括激光測距儀，激光測距儀采集從激光測距儀出光口到目標(biāo)物上多個掃描點的距離數(shù)據(jù)，并傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊14 ；
[0014]全球定位模塊12包括全球定位系統(tǒng)接收機,接收機通過全球定位系統(tǒng)獲取激光測距儀出光口的位置數(shù)據(jù)，并傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊14 ；
[0015]姿態(tài)測量模塊13包括傾角傳感器和電子羅盤，傾角傳感器采集激光測距儀的俯仰角數(shù)據(jù)和傾斜角數(shù)據(jù)，電子羅盤采集激光測距儀的方位角數(shù)據(jù)，并傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊14 ;并且，
[0016]數(shù)據(jù)處理模塊14對接收到的距離數(shù)據(jù)、激光測距儀出光口的位置數(shù)據(jù)、俯仰角數(shù)據(jù)、傾斜角數(shù)據(jù)和方位角數(shù)據(jù)進行處理，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到多個掃描點在大地坐標(biāo)系中的位置數(shù)據(jù)。
[0017]圖2為本發(fā)明用于獲取目標(biāo)物空間分布的激光掃描測量方法框圖，包括:
[0018]S101，以激光測距儀圍繞目標(biāo)物移動并做激光掃描，獲得從激光測距儀出光口到目標(biāo)物的多個掃描點的距離數(shù)據(jù)；
[0019]S102，獲得激光測距儀出光口在大地坐標(biāo)系中的位置數(shù)據(jù)；
[0020]S103，獲得激光測距儀的俯仰角、傾斜角和方位角數(shù)據(jù)；
[0021]S104，基于多個掃描點的距離數(shù)據(jù)、激光測距儀出光口在大地坐標(biāo)系中的位置數(shù)據(jù)、俯仰角、傾斜角和方位角數(shù)據(jù)，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到多個掃描點在大地坐標(biāo)系中的位置數(shù)據(jù)。
[0022]利用上述技術(shù)方案，通過對目標(biāo)物進行激光掃描確定目標(biāo)物上若干掃描點的相對位置，并利用相關(guān)設(shè)備獲得掃描測量裝置在大地坐標(biāo)系中的位置及其姿態(tài)，進而通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲得掃描點在大地坐標(biāo)系的位置，也就得到了目標(biāo)物的空間分布情況，可繪制三維點云圖。整個過程不需要根據(jù)目標(biāo)物外形選取掃描位置，不需要對掃描點數(shù)據(jù)進行拼接，掃描測量過程快捷高效。
[0023]圖3所示為以煤垛為目標(biāo)物的具體實施例過程示意圖，待測目標(biāo)物煤垛為棱臺狀，操作者手持測量裝置圍繞煤垛移動進行掃描，掃描測量裝置的激光測距儀發(fā)出二維激光掃描線照射到煤垛上，形成若干掃描點，操作者圍繞煤垛行進一周形成圖示中虛線所示的測量軌跡，另外，掃描測量裝置還通過無線數(shù)據(jù)鏈路實時接收全球定位系統(tǒng)基準(zhǔn)站發(fā)來的數(shù)據(jù)。
[0024]掃描時，一方面，掃描測量裝置中的激光測距儀測出本體到煤垛表面掃描點的距離數(shù)據(jù)；另一方面，掃描測量裝置中的全球定位模塊利用全球定位系統(tǒng)基準(zhǔn)站發(fā)來的觀測數(shù)據(jù)，得到掃描測量裝置在移動軌跡上的實時位置；再另一方面，掃描測量裝置中的姿態(tài)測量模塊利用傾角傳感器實時采集激光測距儀的俯仰角和傾斜角數(shù)據(jù)，還利用電子羅盤實時采集激光測距儀的方位角數(shù)據(jù)。
[0025]將上述采集到的數(shù)據(jù)傳輸給掃描測量裝置中的數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊分析激光測距儀到煤垛表面掃描點的距離，獲得掃描點在以激光測距儀為原點所建立空間坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)。并根據(jù)激光測距儀在移動軌跡上的實時位置，利用實時動態(tài)差分法(RealTime Kinematic, RTK)確定激光測距儀在大地坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)(全球定位模塊經(jīng)過實時動態(tài)差分運算可獲得厘米量級的定位精度)。結(jié)合激光測距儀的實時姿態(tài)(以俯仰角、傾斜角和方位角表征)計算出建立的空間坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。最終將煤垛表面掃描點在該空間坐標(biāo)系的三維位置坐標(biāo)全部轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系下的三維位置坐標(biāo)，即得到了煤垛空間分布參數(shù)，隨后按照需要可建立煤垛空間模型，進而計算體積、質(zhì)量等物理參數(shù)。
[0026]優(yōu)選地，圖3實施例中的激光掃描測量裝置本體繞煤垛至少移動一圈，且不間斷地以預(yù)定頻率掃描，能夠全面獲取煤垛的三維分布數(shù)據(jù)，根據(jù)煤垛堆場形狀的不規(guī)則程度調(diào)整掃描頻率，以適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)采集量制作煤垛三維點云圖，提高處理效率，保證結(jié)果精確度。
[0027]在本發(fā)明實施例中，利用全球定位系統(tǒng)確定掃描儀在大地坐標(biāo)系中的位置。具體來講，掃描之前，打開全球定位系統(tǒng)基準(zhǔn)站電源并等待完成初始化，通過指示燈核實基準(zhǔn)站已經(jīng)搜索到多顆用于定位的衛(wèi)星，且正通過無線數(shù)據(jù)鏈實時向外發(fā)送基準(zhǔn)站觀測值和測站坐標(biāo)。然后打開掃描測量裝置的電源并等待各模塊完成初始化，核實其中的“全球定位模塊”已搜索到多顆用于定位的衛(wèi)星，全球定位模塊與掃描測量裝置相對位置固定，其中的接收機接收無線數(shù)據(jù)鏈實時發(fā)送來的基準(zhǔn)站觀測值和測站坐標(biāo)，得到激光測距儀在大地坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)。可在30km內(nèi)建立全球定位系統(tǒng)基準(zhǔn)站。
[0028]其中，全球定位系統(tǒng)可以美國“GPS” (Global Positioning System)為主、俄羅斯“GL0NASS”和中國“北斗”為輔，實現(xiàn)掃描測量裝置本體的實時三維定位，還可根據(jù)掃描測量裝置本體在不同時刻的位置獲得移動軌跡。由于本發(fā)明的全球定位模塊固定在掃描測量裝置本體內(nèi)，經(jīng)校準(zhǔn)其測量到的三維位置可以表征激光測距儀的三維位置。
[0029]在本發(fā)明實施例中，利用二維傾角傳感器獲得掃描測量裝置本體與水平面之間的夾角，包括俯仰角和左右傾斜角。由于二維傾角傳感器固定在測量裝置本體內(nèi)，所以經(jīng)過校準(zhǔn)后其測量到的俯仰角和傾斜角可表征激光測距儀的二維傾角。同時，利用電子羅盤(也稱數(shù)字羅盤)獲得掃描測量裝置本體與正北方向的夾角。由于電子羅盤固定在測量裝置本體內(nèi)，所以經(jīng)過校準(zhǔn)后其測量到的與磁場北極的夾角可表征激光測距儀與磁場北極的夾角，進而可換算出激光測距儀與正北方向的夾角即方位角。
[0030]在本發(fā)明實施例中，優(yōu)選地,利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System,INS)實時檢測掃描測量裝置本體的三維加速度，通過兩次時間積分可求解出掃描測量裝置的移動軌跡，以計算其在大地坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)。將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)模塊固定在掃描測量裝置內(nèi)，經(jīng)過校準(zhǔn)后其測量到的三維運動軌跡可表征激光測距儀的三維運動軌跡，可根據(jù)初始位置計算得到運動軌跡上任意一點的三維位置。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的作用主要是作為全球定位技術(shù)的補充，在全球定位系統(tǒng)受到天氣等因素干擾時，保證仍可獲得掃描測量裝置的準(zhǔn)確移動軌跡。
[0031]在本發(fā)明實施例中，優(yōu)選地，采用鋁合金骨架和碳纖維背板構(gòu)成掃描測量裝置的殼體，并利用鋰電池供電，可使裝置重量控制在便于手提使用的7kg以內(nèi)，相比目前的三維激光掃描儀重量可減少近一半，操作者手提裝置圍繞煤垛步行一周即可完成煤垛表面位置數(shù)據(jù)的采集。本發(fā)明的激光掃描測量裝置成本大幅降低，且整個掃描測量過程高效便捷，適用于各種目標(biāo)物的掃描測量場合。
[0032]在本發(fā)明實施例中，需要注意，掃描測量裝置內(nèi)除了集成有激光測距儀、姿態(tài)測量模塊、全球定位模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及供電模塊之外，還含有同步授時模塊，確保所處理的數(shù)據(jù)對應(yīng)于同一時刻。同步授時模塊具有同步時鐘，激光測距儀、姿態(tài)測量模塊和全球定位模塊在同步授時模塊的控制下運行，采集目標(biāo)物表面激光點云的相對位置、俯仰角、傾斜角、方位角以及定位等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊在隨后的數(shù)據(jù)處理中，針對掃描點在同一時刻的上述相關(guān)數(shù)據(jù)進行運算，確保輸入輸出數(shù)據(jù)正確可靠。
[0033]集合圖3實施例煤垛表面各掃描點在大地坐標(biāo)系中的三維位置坐標(biāo)，形成煤垛表面的三維點云圖，如圖4所示。以三維點云圖為基礎(chǔ)，可采用三角剖分法建立準(zhǔn)三維模型，將煤垛內(nèi)部體積分割成由多個三棱柱構(gòu)成的集合體，再分別計算每個三棱柱的體積，進而累加求得煤垛體積，用于存儲量評估、經(jīng)濟效益評估等。
[0034]本發(fā)明實施例以非接觸式測量方法在短時間內(nèi)得到大量掃描點位置數(shù)據(jù)，優(yōu)選地，建立一個空間坐標(biāo)系，如圖5所示，以掃描測量裝置的激光測距儀出光口為原點建立坐標(biāo)系O’ -V Y’ Z’，激光測距儀的前向為O’ Y’軸方向，掃描平面與Y’ O’ V平面重合。則具體地，設(shè)任意掃描測量點P與激光測距儀出光口 O’的距離為I (由激光測距儀測得)，則點P在O’ -X’ Y’ V坐標(biāo)系中的位置(x’，y’，Z’)可表示為:
【權(quán)利要求】
1.一種用于獲取目標(biāo)物空間分布的激光掃描測量裝置，其特征在于，包括: 激光測距儀模塊、全球定位模塊、姿態(tài)測量模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，激光測距儀模塊、全球定位模塊和姿態(tài)測量模塊三者與數(shù)據(jù)處理模塊電連接；其中， 激光測距儀模塊包括激光測距儀，激光測距儀采集從激光測距儀出光口到目標(biāo)物上多個掃描點的距離數(shù)據(jù)，并傳輸給所述數(shù)據(jù)處理模塊； 全球定位模塊包括全球定位系統(tǒng)接收機，全球定位系統(tǒng)接收機通過全球定位系統(tǒng)獲取所述激光測距儀出光口的位置數(shù)據(jù)，并傳輸給所述數(shù)據(jù)處理模塊； 姿態(tài)測量模塊包括傾角傳感器和電子羅盤，傾角傳感器采集所述激光測距儀的俯仰角數(shù)據(jù)和傾斜角數(shù)據(jù)，電子羅盤采集所述激光測距儀的方位角數(shù)據(jù)，并傳輸給所述數(shù)據(jù)處理豐旲塊；并且， 數(shù)據(jù)處理模塊對接收到的所述距離數(shù)據(jù)、所述激光測距儀出光口的位置數(shù)據(jù)、所述俯仰角數(shù)據(jù)、所述傾斜角數(shù)據(jù)和所述方位角數(shù)據(jù)進行處理，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到所述多個掃描點在大地坐標(biāo)系中的位置數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的激光掃描測量裝置，其特征在于，激光掃描測量裝置還包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理模塊電連接，其中，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)所述激光測距儀的移動加速度獲得激光測距儀出光口的位置數(shù)據(jù)，并傳輸給所述數(shù)據(jù)處理模塊。
3.如權(quán)利要求1所述的激光掃描測量裝置，其特征在于，激光掃描測量裝置還包括同步授時模塊，同步授時模塊含有同步時鐘，激光測距儀、全球定位模塊和姿態(tài)測量模塊三者在同步時鐘的控制下運行。
4.如權(quán)利要求1所述的激光掃描測量裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理模塊處理數(shù)據(jù)時，所述多個掃描點中的一個點A在大地坐標(biāo)系(O-XYZ)中的位置坐標(biāo)(X, y, z)為:
5.如權(quán)利要求4所述的激光掃描測量裝置，其特征在于，其中ν=其中，Θ為激光測距儀出光口(O’)到激光測距儀的初始掃描點(N)的連線(O’ N)與所述空間坐標(biāo)系中與激光測距儀的前向為同向的坐標(biāo)軸(O’ Y’)的夾角，Δφ為激光測距儀的任意兩條掃描線的夾角，η表不點A為第η+1個掃描點。
6.如權(quán)利要求1所述的激光掃描測量裝置，其特征在于，激光掃描測量裝置采用鋰電池供電，殼體為碳纖維板，骨架為鋁合金材料。
7.一種用于獲取目標(biāo)物空間分布的激光掃描測量方法，其特征在于，包括: 以激光測距儀圍繞目標(biāo)物移動并做激光掃描，獲得從激光測距儀出光口到目標(biāo)物的多個掃描點的距離數(shù)據(jù)； 獲得所述激光測距儀出光口在大地坐標(biāo)系中的位置數(shù)據(jù)； 獲得所述激光測距儀的俯仰角、傾斜角和方位角數(shù)據(jù)； 基于所述多個掃描點的距離數(shù)據(jù)、所述激光測距儀出光口在大地坐標(biāo)系中的位置數(shù)據(jù)、所述俯仰角、傾斜角和方位角數(shù)據(jù)，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到所述多個掃描點在大地坐標(biāo)系中的位置數(shù)據(jù)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，以激光測距儀圍繞目標(biāo)物移動并做激光掃描時，所述方法還包括: 所述激光測距儀圍繞目標(biāo)物移動并不間斷地掃描，且激光測距儀圍繞目標(biāo)物的移動軌跡至少走過360°。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，其中，所述多個掃描點中的一個點A在大地坐標(biāo)系(O-XYZ)中的位置坐標(biāo)(X, y, Ζ)為:
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，其中ψ=n*Δφ-θ，其中，Θ為激光測距儀出光口(O’)到激光測距儀的初始掃描點(N)的連線(O’ N)與所述空間坐標(biāo)系中與激光測距儀的前向為同向的坐標(biāo)軸(O’ Y’)的夾角，Δφ為激光測距儀的任意兩條掃描線的夾角，η表示點A為第η+1個掃描點。
【文檔編號】G01B11/24GK103925872SQ201310717949
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】谷紅偉, 李瑛 , 王元臣, 許文海, 陳明華, 張望, 華夏, 繆希偉, 楊德山, 嚴魏, 王鶴, 白增輝, 曹保卿 申請人:中國神華能源股份有限公司, 神華銷售集團有限公司, 北京神華恒運能源科技有限公司, 大連海事大學(xué)