一种基于摆动激光雷达的可变视野三维重建装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于摆动激光雷达的可变视野三维重建装置，包括激光雷达摆动机构、机构运动控制模块和三维点云重建模块，其中：单线激光雷达为三维点云数据采集设备，激光雷达中心固定机构承受激光雷达重量并固定激光雷达中心，激光雷达摆动控制机构实现激光雷达视野范围的调节并带动其全向摆动，三者组成激光雷达摆动机构；机构运动控制模块控制激光雷达摆动机构的运动，并对激光雷达位姿进行实时测量；三维点云重建模块对多帧激光雷达测量数据进行拼接，重建空间三维点云。本发明专利技术能够完成对三维环境的测量与重建，并根据需求对视野范围和点云分布进行调节，以实现对不同位置空间信息的重点测量，具有精度高、可靠性强、适应性好特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及地理信息数据采集领域、环境三维形貌测绘领域，具体地，涉及一种基于摆动激光雷达的可变视野三维重建装置。
技术介绍
随着移动机器人产业的快速发展，越来越多的智能设备投入到非结构化环境的工作中去，环境三维感知与测量的需求日益增长。其中，由于各类智能车辆在行驶时对道路、建筑等信息依赖度较高，因而室外环境中的三维重建显得更为重要。在目前的各类三维测量装置中，激光雷达凭借其精度高、稳定性好的特点得到了广泛采用。但传统采用的多线激光雷达价格较高，且结果点云稀疏，仅能覆盖激光扫描线所在区域，无法满足大范围三维测量的需求。因此，许多装置通过采用成本较低的单线激光雷达，将激光雷达扫描平面在空间中进行摆动，并对各个位姿下的测量数据进行拼接，从而得到高密度的空间三维点云。但室外环境的三维重建需求复杂，现有装置很难满足。一方面，在室外除了正上方的天空和正下方的平地，其他方向均有着有用信息，而目前的摆动装置大多因机构限制无法进行全向扫描，只能进行小范围的空间测量，不能一次性完成对重要信息的重建；另一方面，不同场景、不同应用对测量结果的需求也各不相同，在狭窄环境中测量装置需对近处的信息进行覆盖，而在宽阔的环境下远处的信息更需要得到重点扫描，但现有的装置视野范围和结果点云的分布大多是固定的，无法根据需求进行调节，很难适应不同的测量情况。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的使提供一种基于摆动激光雷达的可变视野三维重建装置，通过将激光雷达进行全向摆动扫描，并对装置的视野范围和结果点云分布进行调节，满足不同测量情况下的室外环境三维重建需求。为达到以上目的，本专利技术的具体技术方案如下：本专利技术提供一种基于摆动激光雷达的可变视野三维重建装置，包括激光雷达摆动机构、机构运动控制模块以及三维点云重建模块；所述激光雷达摆动机构，用于完成单线激光雷达扫描平面的全向摆动，对视野范围和结果点云分布进行调节，并将单线激光雷达在各位姿下的空间三维测量数据信息发送给三维点云重建模块；所述激光雷达摆动机构包括单线激光雷达、激光雷达中心固定机构、激光雷达摆动控制机构，其中：单线激光雷达固定在激光雷达中心固定机构上，用于采集各位姿下的空间三维信息，并将各位姿下的空间三维测量数据发送到三位点云重建模块；激光雷达摆动控制机构由依次铰接连接的上部传动杆、中部传动杆和下部主动杆组成，上部传动杆固定在激光雷达中心固定机构上，下部主动杆的上下位移通过中部传动杆、上部传动杆带动固定在激光雷达中心固定机构上的单线激光雷达运动，实现单线激光雷达扫描平面的倾角调整，从而调节所述装置的视野；下部主动杆的旋转运动通过中部传动杆、上部传动杆带动固定在激光雷达中心固定机构上的单线激光雷达进行全向摆动，从而完成单线激光雷达全向扫描；所述机构运动控制模块连接激光雷达摆动机构，用于控制激光雷达摆动机构的运动，并对激光雷达摆动机构位姿进行实时反馈，同时将单线激光雷达的实时位姿数据信息发送到三维点云重建模块；所述三维点云重建模块分别与激光雷达摆动机构和机构运动控制模块连接，用于接收激光雷达摆动机构所发送的单线激光雷达在各位姿下的空间三维测量数据和机构运动控制模块所发送的单线激光雷达实时位姿数据信息，并根据点云拼接算法对接收到的信息进行重建，实现对空间三维形貌的还原。优选地，所述激光雷达中心固定机构包括底座、中框、激光雷达托架和四根短轴，其中：底座由一块水平隔板、两块竖直板以及两块加固板组成，在水平隔板上开有孔，在两块竖直板上端分别开有一个轴承孔；中框的两侧分别固定一根短轴并通过滚动轴承分别安装在底座的两块竖直板上的两个轴承孔内，中框的另外两侧分别开有一个轴承孔；激光雷达托架的两侧分别固定一根短轴并通过滚动轴承分别安装在中框上的两个轴承孔内；单线激光雷达安装固定在激光雷达托架上，并在激光雷达托架底部开有轴承孔。更优选地，所述激光雷达托架上两个短轴的轴线与中框上两个短轴的轴线相互垂直，以形成一个万向支架，两个轴线交点位置固定从而使单线激光雷达中心位置固定，并能承受单线激光雷达的大部分重量，但不影响单线激光雷达在激光雷达摆动控制机构带动下进行全向摆动。更优选地，所述激光雷达摆动控制机构中：上部传动杆的一端通过滚珠轴承安装在激光雷达托架底部的轴承孔中，上部传动杆的另一端与中部传动杆的一端铰接连接，中部传动杆的另一端与下部主动杆的一端铰接连接，下部主动杆的一端过滑动轴承安装在激光雷达中心固定机构中底座的水平隔板上的孔中并与机构运动控制模块连接。优选地，所述上部传动杆与中部传动杆、中部传动杆与下部主动杆之间的铰接连接，是指：在上部传动杆、下部主动杆、中部传动杆的对应连接端设置槽与孔，并通过螺栓铰接连接。优选地，所述机构运动控制模块，包括滚珠丝杠滑台导轨模组、电机、编码器、电机驱动器与单片机；其中：电机与编码器安装在滚珠丝杠滑台导轨模组上，电机与激光雷达摆动控制机构中的下部主动杆连接；所述电机驱动器与电机相连，用于对电机进行转动控制；单片机与滚珠丝杠滑台导轨模组中的步进电机相连，通过PWM信号控制、方向控制信号完成对滚珠丝杠滑台导轨模组位移的控制；单片机与编码器相连，读取编码器数值，同时单片机与三维点云重建模块进行激光雷达实时位姿数据的通信。更优选地，所述滚珠丝杠滑台导轨模组的上下位移带动下部主动杆上下位移，从而实现单线激光雷达扫描平面倾角的控制；通过电机的转动带动下部主动杆的旋转，从而实现单线激光雷达的全向摆动。更优选地，所述机构运动控制模块中的单片机通过编码器的读数与滚珠丝杠滑台导轨模组的位置，推算出单线激光雷达的扫描平面倾角与摆动转角，并通过运动学算法计算得到单线激光雷达的实时位姿。优选地，所述单线激光雷达在各个位姿下对扫描平面进行测量，并将空间三维测量数据实时传输给三维点云重建模块；所述机构运动控制模块中的单片机通过滚珠丝杠滑台导轨模组的位置计算单线激光雷达的倾斜角度，通过编码器的读数计算单线激光雷达的摆动角度，以此计算出单线激光雷达的实时位姿，并传输给三维点云重建模块。更优选地，所述三维点云重建模块通过数据线与单线激光雷达相连，接收单线激光雷达在各位姿下的空间三维测量数据，同时通过USB串口与单片机相连，接收单片机所计算的单线激光雷达实时位姿。更优选地，所述三维点云重建模块在接收到单线激光雷达发送的扫描测量数据和单片机发送的对应实时位姿数据后，将各帧点云变换到对应位置并进行叠加，从而完成对三维点云的重建。与现有技术对比，本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术能够对激光雷达的视野范围和结果点云的空间分布进行调节，完成对空间中不同距离处三维形貌的重点测量；(2)本专利技术能够完成激光雷达的全向摆动扫描，能够一次性完成空间主要信息的测量，操作方便、结果稳定；(3)本专利技术能够搭载大质量、高功率的激光雷达，从而完成大范围三维重建；(4)本专利技术提供了完整的控制反馈与点云拼接系统，使用简单、集成度高。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所做的详细描述，本专利技术的其他特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术一实施例的结构框图；图2为本专利技术一实施例的激光雷达中心固定机构三维示意图；图3为本专利技术一实施例的激光雷达摆动机构与机构运动控制模块中部分元件安装方式三维示意图；图4为本专利技术一实施例的激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于摆动激光雷达的可变视野三维重建装置，其特征在于，包括激光雷达摆动机构、机构运动控制模块以及三维点云重建模块；所述激光雷达摆动机构，用于完成单线激光雷达扫描平面的全向摆动，对视野范围和结果点云分布进行调节，并将单线激光雷达在各位姿下的空间三维测量数据信息发送给三维点云重建模块；所述激光雷达摆动机构包括单线激光雷达、激光雷达中心固定机构、激光雷达摆动控制机构，其中：单线激光雷达固定在激光雷达中心固定机构上，用于采集各位姿下的空间三维信息，并将各位姿下的空间三维测量数据发送到三位点云重建模块；激光雷达摆动控制机构由依次铰接连接的上部传动杆、中部传动杆和下部主动杆组成，上部传动杆固定在激光雷达中心固定机构上，下部主动杆的上下位移通过中部传动杆、上部传动杆带动固定在激光雷达中心固定机构上的单线激光雷达运动，实现单线激光雷达扫描平面的倾角调整，从而调节所述装置的视野；下部主动杆的旋转运动通过中部传动杆、上部传动杆带动固定在激光雷达中心固定机构上的单线激光雷达进行全向摆动，从而完成单线激光雷达全向扫描；所述机构运动控制模块连接激光雷达摆动机构，用于控制激光雷达摆动机构的运动，并对激光雷达摆动机构位姿进行实时反馈，同时将单线激光雷达的实时位姿数据信息发送到三维点云重建模块；所述三维点云重建模块分别与激光雷达摆动机构和机构运动控制模块连接，用于接收激光雷达摆动机构所发送的单线激光雷达在各位姿下的空间三维测量数据和机构运动控制模块所发送的单线激光雷达实时位姿数据信息，并根据点云拼接算法对接收到的信息进行重建，实现对空间三维形貌的还原。...

【技术特征摘要】
1.一种基于摆动激光雷达的可变视野三维重建装置，其特征在于，包括激光雷达摆动机构、机构运动控制模块以及三维点云重建模块；所述激光雷达摆动机构，用于完成单线激光雷达扫描平面的全向摆动，对视野范围和结果点云分布进行调节，并将单线激光雷达在各位姿下的空间三维测量数据信息发送给三维点云重建模块；所述激光雷达摆动机构包括单线激光雷达、激光雷达中心固定机构、激光雷达摆动控制机构，其中：单线激光雷达固定在激光雷达中心固定机构上，用于采集各位姿下的空间三维信息，并将各位姿下的空间三维测量数据发送到三位点云重建模块；激光雷达摆动控制机构由依次铰接连接的上部传动杆、中部传动杆和下部主动杆组成，上部传动杆固定在激光雷达中心固定机构上，下部主动杆的上下位移通过中部传动杆、上部传动杆带动固定在激光雷达中心固定机构上的单线激光雷达运动，实现单线激光雷达扫描平面的倾角调整，从而调节所述装置的视野；下部主动杆的旋转运动通过中部传动杆、上部传动杆带动固定在激光雷达中心固定机构上的单线激光雷达进行全向摆动，从而完成单线激光雷达全向扫描；所述机构运动控制模块连接激光雷达摆动机构，用于控制激光雷达摆动机构的运动，并对激光雷达摆动机构位姿进行实时反馈，同时将单线激光雷达的实时位姿数据信息发送到三维点云重建模块；所述三维点云重建模块分别与激光雷达摆动机构和机构运动控制模块连接，用于接收激光雷达摆动机构所发送的单线激光雷达在各位姿下的空间三维测量数据和机构运动控制模块所发送的单线激光雷达实时位姿数据信息，并根据点云拼接算法对接收到的信息进行重建，实现对空间三维形貌的还原。2.根据权利要求1所述的一种基于摆动激光雷达的可变视野三维重建装置，其特征在于，所述激光雷达中心固定机构包括底座、中框、激光雷达托架和四根短轴，其中：底座由一块水平隔板、两块竖直板以及两块加固板组成，在水平隔板上开有孔，在两块竖直板上端分别开有一个轴承孔；中框的两侧分别固定一根短轴并通过滚动轴承分别安装在底座的两块竖直板上的两个轴承孔内，中框的另外两侧分别开有一个轴承孔；激光雷达托架的两侧分别固定一根短轴并通过滚动轴承分别安装在DAG25112中框上的两个轴承孔内；单线激光雷达安装固定在激光雷达托架上，并在激光雷达托架底部开有轴承孔。3.根据权利要求2所述的一种基于摆动激光雷达的可变视野三维重建装置，其特征在于，所述激光雷达托架上两个短轴的轴线与中框上两个短轴的轴线相互垂直，以形成一个万向支架，两个轴线交点位置固定从而使单线激光雷达中心位置固定，并能承受单线激光雷达的大部分重量，但不影响单线激光雷达在激光雷达摆动控制机构带动下进行全向摆动。4.根据权利要求2...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱超杰，戚明旭，杨明，王春香，王冰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31