一种基于无人机载具和结构光扫描技术的空间扫描系统及其工作方法技术方案

本发明专利技术涉及三维扫描技术领域，公开了一种基于无人机载具和结构光扫描技术的空间扫描系统及其工作方法。本发明专利技术提供了一种集结构光传感器、CMOS图像传感器、加速度传感器和陀螺仪传感器等的、且以无人机为载具的空间扫描系统平台，并通过结合实时的运动姿态数据，可对多帧的点云数据流进行空间叠合，得到整个扫描区域的三维场景数据，从而可凭借小型无人机的灵活性，以及成熟的结构光三维扫描技术，实现动态的空间扫描目的。此外，所述空间扫描系统还具有扫描自动化程度高、点云数据扫描稳定性高、输出文件格式多样化和结构简单等优点，便于实际推广和使用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无人机载具和结构光扫描技术的空间扫描系统及其工作方法
本专利技术涉及三维扫描
，具体地，涉及一种基于无人机载具和结构光扫描技术的空间扫描系统及其工作方法。
技术介绍
结构光三维扫描技术是一种高速且高精度的三维扫描测量方法，其采用的是目前国际上最先进的结构光非接触照相测量原理，即采用一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术。采用这种测量原理，可使得对物体进行照相测量(所谓照相测量，就是类似于照相机对视野内的物体进行照相，不同的是照相机摄取的是物体的二维图象，而研制的测量仪获得的是物体的三维信息)成为可能。此外与传统的三维扫描技术不同的是，结构光三维扫描技术能同时测量一个面。对于现有的基于结构光或激光的三维扫描技术，为了达到高精度，它们都是采用静态扫描技术，即被扫描物体和扫描设备本身都需要在完全静止的情况下工作。虽然这种方式扫描精度高，但是使用场景严重不足，例如在需要对于诸如一间卧室或一栋楼的内部结构等大场景进行扫描时，静态扫描方法就完全不能应对。
技术实现思路
针对前述目前静态三维扫描技术所存在的使用局限性问题，本专利技术提供了一种基于无人机载具和结构光扫描技术的空间扫描系统及其工作方法。本专利技术采用的技术方案,一方面提供了一种基于无人机载具和结构光扫描技术的空间扫描系统，包括无人机电源、结构光传感器、CMOS图像传感器、图像信号处理器、加速度传感器、陀螺仪传感器、数字信号处理器、图形处理器、中央处理器、内存储器和外存储器，其中，所述结构光传感器和所述CMOS图像传感器分别通信连接所述图像信号处理器，所述加速度传感器和所述陀螺仪传感器分别通信连接所述数字信号处理器，所述图像信号处理器和所述数字信号处理器还分别通信连接所述图形处理器，所述图形处理器通信连接所述中央处理器，所述中央处理器还分别通信连接所述内存储器和所述外存储器；所述图像信号处理器用于按照第一预制算法对来自所述结构光传感器和所述CMOS图像传感器的第一原始采集数据进行预处理，得到具有场景合成所需数据结构的点云数据流；所述数字信号处理器用于按照第二预制算法对来自所述加速度传感器和所述陀螺仪传感器的第二原始采集数据进行预处理，得到具有场景合成所需数据结构的运动姿态数据流；所述图形处理器用于根据来自所述数字信号处理器的运动姿态数据流，对来自所述图像信号处理器的点云数据流进行数据合并，得到反映空间扫描结果的场景数据；所述中央处理器用于获取生成的场景数据，并写入所述内存储器和所述外存储器备用。优化的，还包括无人机飞行控制模块，其中，所述无人机飞行控制模块包括无人机控制电路单元和无人机电机；所述无人机控制电路单元分别通信连接所述无人机电机的受控端和所述中央处理器，所述中央处理器还分别通信连接所述图像信号处理器和所述数字信号处理器。进一步优化的，还包括通信连接所述数字信号处理器的霍尔传感器。优化的，还包括位于无人机载具腹部的防抖云台，其中，在所述防抖云台上布置所述结构光传感器和所述CMOS图像传感器。本专利技术采用的技术方案,另一方面还提供了一种对前述的基于无人机载具和结构光扫描技术的空间扫描系统的工作方法，包括步骤如下：S101.由图像信号处理器按照第一预制算法对来自结构光传感器和CMOS图像传感器的第一原始采集数据进行预处理，得到具有场景合成所需数据结构的点云数据流，并将所述点云数据流传送至图形处理器；S102.由数字信号处理器按照第二预制算法对来自加速度传感器和陀螺仪传感器的第二原始采集数据进行预处理，得到具有场景合成所需数据结构的运动姿态数据流，并将所述运动姿态数据流传送至图形处理器；S103.图形处理器在收到同步传送的所述点云数据流和所述运动姿态数据流后，实时地依次执行如下步骤S301～S304：S301.根据所述点云数据流中的前一帧点云数据的三维坐标属性和所述运动姿态数据流中的新帧运动姿态数据，计算并更新所述点云数据流中的新帧点云数据的三维坐标属性；S302.使用特征匹配方法确定在所述前一帧点云数据与所述新帧点云数据中具有不同几何特征的点云；S303.针对在所述前一帧点云数据与所述新帧点云数据中具有不同几何特征的点云，采用递增迭代的优化方式进行择一取舍，得到用于场景合成的点云集合；S304.将所述点云集合叠加到已有的场景数据中，得到新合成的场景数据，然后将所述新合成的场景数据传送至中央处理器；S104.中央处理器在收到所述新合成的场景数据后，存储到内存储器和外存储器备用；上述步骤中，步骤S101和步骤S102为并行执行步骤。优化的，当所述基于无人机载具和结构光扫描技术的空间扫描系统还包括无人机飞行控制模块时，在所述步骤S104之后还包括如下步骤：S105.中央处理器根据所述新合成的场景数据，采用三维空间最短路径算法确定无人机载具的新飞行路径，然后将所述新飞行路径传送至所述无人机飞行控制模块予以执行。优化的，当所述基于无人机载具和结构光扫描技术的空间扫描系统还包括无人机飞行控制模块时，在所述步骤S101和步骤S102之后，还包括如下步骤：S106.中央处理器还同步读取所述点云数据流和所述运动姿态数据流；S107.由中央处理器实时对比所述点云数据流中的前一帧点云数据与新帧点云数据的且具有不同几何特征的点云，然后根据对比结果反向推算飞行器载具在帧间隔时间内的姿态运动变化数据，最后将该姿态运动变化数据与所述运动姿态数据流中的新帧运动姿态数据一起进行加权平均，并根据加权平均结果校准待发送至所述无人机飞行控制模块的即时控制信号。优化的，在所述步骤S104中，还包括如下步骤：由中央处理器将所述新合成的场景数据转化为3DS、OBJ、FBX或STL格式的数据结构。综上，采用本专利技术所提供的基于无人机载具和结构光扫描技术的空间扫描系统及其工作方法，具有如下有益效果：(1)本专利技术提供了一种集结构光传感器、CMOS图像传感器、加速度传感器和陀螺仪传感器等的、且以无人机为载具的空间扫描系统平台，并通过结合实时的运动姿态数据，可对多帧的点云数据流进行空间叠合，得到整个扫描区域的三维场景数据，从而可凭借小型无人机的灵活性，以及成熟的结构光三维扫描技术，实现动态的空间扫描目的；(2)可根据实时的三维场景数据，利用三维空间最短路径算法进行无人机载具的路径规划与障碍判断，使得扫描路径自动最佳化；(3)可根据实时的运动姿态数据，提取诸如俯仰角和位移等参量，并推算待发送运动指令在执行后的预期结果，从而可以将这些参量用于矫正函数，得到用于修复外因干扰(诸如风和气流等外因所带来的干扰)的新运动指令，并将新运动指令复合进执行单元(比如无人机电机)进行执行，实现自动纠正飞行姿态和飞行位置的目的；(4)可根据实时的三维场景数据，来对空间障碍物进行一个虚拟化的场景建模，并获取无人机在虚拟化场景模型中的相对位置，然后根据相对位置生成能够进行虚拟化避障和现实避障的新运动指令，最后通过该新运动指令的执行实现快速避障和自主飞行的目的；(5)考虑三维场景数据的数据精度要远大于无人机载具自身传感器的精度，因此可进一步根据相对位置来计算无人机载具的运动姿态数据、加速度数据或陀螺仪数据的误差，并对误差进行自动校正，提升三维扫描结果的准确性；(6)所述空间扫描系统还具有点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于无人机载具和结构光扫描技术的空间扫描系统，其特征在于，包括无人机电源、结构光传感器、CMOS图像传感器、图像信号处理器、加速度传感器、陀螺仪传感器、数字信号处理器、图形处理器、中央处理器、内存储器和外存储器，其中，所述结构光传感器和所述CMOS图像传感器分别通信连接所述图像信号处理器，所述加速度传感器和所述陀螺仪传感器分别通信连接所述数字信号处理器，所述图像信号处理器和所述数字信号处理器还分别通信连接所述图形处理器，所述图形处理器通信连接所述中央处理器，所述中央处理器还分别通信连接所述内存储器和所述外存储器；所述图像信号处理器用于按照第一预制算法对来自所述结构光传感器和所述CMOS图像传感器的第一原始采集数据进行预处理，得到具有场景合成所需数据结构的点云数据流；所述数字信号处理器用于按照第二预制算法对来自所述加速度传感器和所述陀螺仪传感器的第二原始采集数据进行预处理，得到具有场景合成所需数据结构的运动姿态数据流；所述图形处理器用于根据来自所述数字信号处理器的运动姿态数据流，对来自所述图像信号处理器的点云数据流进行数据合并，得到反映空间扫描结果的场景数据；所述中央处理器用于获取生成的场景数据，并写入所述内存储器和所述外存储器备用。...

【技术特征摘要】
1.一种基于无人机载具和结构光扫描技术的空间扫描系统，其特征在于，包括无人机电源、结构光传感器、CMOS图像传感器、图像信号处理器、加速度传感器、陀螺仪传感器、数字信号处理器、图形处理器、中央处理器、内存储器和外存储器，其中，所述结构光传感器和所述CMOS图像传感器分别通信连接所述图像信号处理器，所述加速度传感器和所述陀螺仪传感器分别通信连接所述数字信号处理器，所述图像信号处理器和所述数字信号处理器还分别通信连接所述图形处理器，所述图形处理器通信连接所述中央处理器，所述中央处理器还分别通信连接所述内存储器和所述外存储器；所述图像信号处理器用于按照第一预制算法对来自所述结构光传感器和所述CMOS图像传感器的第一原始采集数据进行预处理，得到具有场景合成所需数据结构的点云数据流；所述数字信号处理器用于按照第二预制算法对来自所述加速度传感器和所述陀螺仪传感器的第二原始采集数据进行预处理，得到具有场景合成所需数据结构的运动姿态数据流；所述图形处理器用于根据来自所述数字信号处理器的运动姿态数据流，对来自所述图像信号处理器的点云数据流进行数据合并，得到反映空间扫描结果的场景数据；所述中央处理器用于获取生成的场景数据，并写入所述内存储器和所述外存储器备用。2.如权利要求1所述的一种基于无人机载具和结构光扫描技术的空间扫描系统，其特征在于，还包括无人机飞行控制模块，其中，所述无人机飞行控制模块包括无人机控制电路单元和无人机电机；所述无人机控制电路单元分别通信连接所述无人机电机的受控端和所述中央处理器，所述中央处理器还分别通信连接所述图像信号处理器和所述数字信号处理器。3.如权利要求2所述的一种基于无人机载具和结构光扫描技术的空间扫描系统，其特征在于，还包括通信连接所述数字信号处理器的霍尔传感器。4.如权利要求1所述的一种基于无人机载具和结构光扫描技术的空间扫描系统，其特征在于，还包括位于无人机载具腹部的防抖云台，其中，在所述防抖云台上布置所述结构光传感器和所述CMOS图像传感器。5.一种如权利要求1～4任意一项所述的基于无人机载具和结构光扫描技术的空间扫描系统的工作方法，其特征在于，包括步骤如下：S101.由图像信号处理器按照第一预制算法对来自结构光传感器和CMOS图像传感器的第一原始采集数据进行预处理，得到具有场景合成所需数据结构的点云数据流，并将所述点云数据流传送至图形处理器；S102.由数字信号处理器按照第二预制算法对来自加速度传感器和陀螺仪传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭颖，谭文轩，
申请(专利权)人：西南民族大学，
类型：发明
国别省市：四川,51