本发明专利技术提供了一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，包括上位机系统、下位机系统和数据采集装置，指令和数据传输通过MODBUS通讯来实现。所述上位机系统包括工控机的控制界面；所述下位机系统包括PLC控制器、步进电机及驱动器等；所述数据采集装置由激光扫描仪、扫描仪安装架、转盘、底座、轴承、轴承盖和三角支撑结构等组成。本发明专利技术利用PLC控制步进电机进一步带动数据采集装置完成旋转运动，实现了二维平面扫描向三维空间扫描的转化，通过数据解析与融合及坐标变换获得目标环境的三维点云数据，再通过数据预处理和三维曲面重建获得目标区域的三维模型，为后续的行为决策、轨迹规划和运动控制提供环境信息基础。轨迹规划和运动控制提供环境信息基础。轨迹规划和运动控制提供环境信息基础。
【技术实现步骤摘要】
一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置
[0001]本专利技术涉及无人驾驶
与工程测量
，具体涉及一种重构挖掘机等其他工程机械或车辆的三维环境信息的方法及装置。
技术介绍
[0002]随着经济的不断发展、劳动力成本的飙升以及国内对居住地、交通和矿产资源的不断需求，高原、山地等偏远地区与极端环境作业需求正在不断增加。与此同时，作业的相对复杂性和危险性导致了驾驶员相对较长的培训周期，这也间接导致了驾驶员的稀缺和工程总成本的上升。因此，为了进一步提高工程作业的安全和效率，解决极端、危险环境下的作业和灾害救援问题，同时降低企业的运营成本，采用无人化的挖掘机是最佳选择方案之一。目前，挖掘机无人化作业正成为未来装备制造业发展的重大趋势和核心内容，也是新常态下打造新的国际竞争优势的必然选择。
[0003]作为工程机械的代表装备，基于挖掘机的无人作业系统无论是在系统的复杂度，还是作业多样性来说，都能够覆盖地面大部分地理环境和作业工况。无人挖掘机技术走向成熟后，对于无人工程机械的推广与普及具有直接影响。针对无人化作业，最关键的一步是要获取施工环境的三维地图模型，以此为基础实现进一步的行为决策和路径规划。
[0004]目前，基于激光雷达的三维场景重建技术应用甚广，但直接获取三维点云数据的多线激光雷达大都十分昂贵，严重影响了技术的推广与应用。而针对单线激光雷达的三维场景重建方法的相关研究还不多，理论分析研究还不够成熟，普适性低，获得的三维模型也不够精确，因此，研究和开发一种简单、高效、低成本的三维场景重现方法和装置具有实际意义。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的在于提供一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，以解决场景重建的自动化程度低，没有针对工程机械的工作环境所设计的平台，点云数据处理集成度低等问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，包括上位机系统、下位机系统、数据采集装置。
[0007]所述上位机系统包括工控机的控制界面及数据处理系统，用于通信参数的设置、通信指令的发送、控制激光扫描仪的伺服驱动，接收激光扫描数据同时完成点云数据的处理。
[0008]所述下位机系统包括PLC控制器、步进电机及驱动器等，PLC控制器用于发送PTO脉冲控制步进电机带动激光扫描仪运动。
[0009]所述数据采集装置由单线激光扫描仪、扫描仪安装架、转盘、底座、轴承、轴承盖和三角支撑结构等组成，用于实现机构的旋转运动。
[0010]优选地，所述激光扫描仪为单线激光扫描仪，能够采集目标区域某一平面内的轮
廓数据，生成目标区域的三维点云数据。
[0011]优选地，所述扫描仪安装架的作用是连接转盘和固定扫描仪支架，扫描仪安装架与扫描仪支架通过螺栓连接，镂空部分用于放置激光扫描仪的电源线和电缆线，扫描仪安装架与转盘通过螺栓连接，其底部还设计了圆形凸台，用于与转盘的凹槽相匹配，解决了二者在安装时可能存在的难以对准的问题。同时，考虑到接近开关的使用，还设计了长方形的感应块，用于定位起始原点位置。
[0012]优选地，所述转盘用于连接扫描仪安装架以及联轴器的末端，转盘顶部凹槽与扫描仪安装架底部凸台相匹配，末端与联轴器相连。考虑到旋转运动的平稳性，在转盘底部设计了安装轴承的轴端。
[0013]优选地，所述底座用以安装轴承盖、电机支架以及三脚支架。考虑到接近开关的使用，在底座的顶面设计了长方形的支架便于安装接近开关。
[0014]优选地，所述电机支架用以安装步进电机和减速器。其侧板顶部4个安装孔与底座相连，底板4个装配孔与电机和减速器的组合体相连。为了提高结构稳定性，在内侧设计有三角形腹板。
[0015]优选地，所述轴承采用角接触球轴承，通过力学分析可知，运动装置轴向受到扫描仪固定装置和转盘的轴向力，另外扫描仪及其安装架的质量重心与轴线存在偏差会产生离心力，该力即为轴承的径向力。考虑到轴承既受轴向力，又受径向力，因此选用角接触球轴承，其型号为GB/T 272-7008AC用以承受系统的轴向力和径向力；所述轴承盖用以固定和保护轴承，其外围六个安装孔与底座相连。
[0016]优选地，所述三角支撑结构包括三脚支架、顶部连接件与底部连接件。三脚支架与底座通过顶部连接件相连，底部设计有调节螺钉，用以调节系统高度和帮助系统找平，通过底部连接件与支架相连。考虑到支架的刚度和稳定性，三脚支架选用角钢进行制造。
[0017]优选地，所述工控机的控制界面通过内置MATLAB GUI软件平台设计，用以实现激光扫描仪的伺服驱动控制、数据的解析与融合、点云的预处理以及三维点云模型的重构。
[0018]优选地，所述PLC控制器包括控制系统部分和电机驱动系统部分；所述控制系统部分采用MODBUS协议通过串口与上位工控机进行通讯，并采用Step7 Micro-Win软件进行编程，利用PLS指令输出PTO脉冲信号至步进电机驱动器；所述电机驱动部分为步进电机驱动系统，接收PTO脉冲信号，输出驱动步进电机带动数据采集装置完成旋转运动，实现了二维平面扫描向三维空间扫描的转化；所述PLC控制器利用软件程序控制旋转运动的实现以及旋转角度数据的传输。
[0019]优选地，所述数据处理系统通过内置MATLAB GUI软件平台设计，使用MATLAB软件编写相应算法将二维点云数据通过数据解析与融合及坐标变换转化为目标环境的三维点云数据，再通过数据预处理和三维曲面重建获得目标区域的三维模型。
[0020]应用本专利技术的技术方案，具有以下有益效果：
[0021](1)本专利技术中，通过PLC控制器控制由单线激光扫描仪和步进电机等设备组成的数据采集装置执行扫描动作，完成了多组二维点云数据的采集，通过编写算法程序完成数据的截取与过滤，去除不相干数据，保留了点云数据点的时间值和距离信息，通过PLC控制器反馈的旋转角度与时间记录，在上位机中完成数据的融合，获得了目标环境的三维点云数据，通过坐标转换处理，实现了扫描仪坐标系向世界坐标系的转换，通过设计的MATLAB GUI
软件平台进行数据预处理和三维曲面重建，获得目标环境的三维模型，为后续的行为决策、轨迹规划和运动控制提供环境信息。
[0022](2)本专利技术中，通过MATLAB GUI模块为框架建立了数据处理平台，同时将工控机控制界面融入到平台中，提高了平台的智能化程度与集成化程度，操作和处理数据的能力也得到了有效的提升。
[0023](3)这种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，通过MODBUS协议实现上位机系统和下位机系统之间的参数与指令的发送与接收，可靠性好、通信效率高，能实现系统功能的完整性；自动化程度高，大大节省了人力、物力，显著提高了工作效率。
[0024]除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本专利技术作进一步详细的说明。
附图说明
[0025]构成本申请的一部分的附图用来提供对本本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，其特征在于，包括上位机系统、下位机系统和数据采集装置，指令和数据传输通过MODBUS通讯来实现。所述上位机系统包括工控机的控制界面及数据处理系统，用于通信参数的设置、通信指令的发送、控制激光扫描仪的伺服驱动，接收激光扫描数据同时完成点云数据的处理；所述下位机系统包括PLC控制器、步进电机及驱动器等，PLC控制器用于发送PTO脉冲控制步进电机带动激光扫描仪运动；所述数据采集装置由单线激光扫描仪、扫描仪安装架、转盘、底座、轴承、轴承盖和三角支撑结构等组成，用于实现机构的旋转运动。2.根据权利要求1所述的一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，其特征在于，所述扫描仪为单线激光扫描仪，能够采集目标区域某一平面内的轮廓数据，生成目标区域的二维点云数据。3.根据权利要求1所述的一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，其特征在于，所述扫描仪安装架的作用是连接转盘和固定扫描仪支架，扫描仪安装架与扫描仪支架通过螺栓连接，镂空部分用于放置激光扫描仪的电源线和电缆线，扫描仪安装架与转盘通过螺栓连接，其底部还设计了圆形凸台，用于与转盘的凹槽相匹配，解决了二者在安装时可能存在的难以对准的问题。同时，考虑到接近开关的使用，还设计了长方形的感应块，用于定位起始原点位置。4.根据权利要求1所述的一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，其特征在于，所述转盘用于连接扫描仪安装架以及联轴器的末端，转盘顶部凹槽与扫描仪安装架底部凸台相匹配，末端与联轴器相连。考虑到旋转运动的平稳性，在转盘底部设计了安装轴承的轴端。5.根据权利要求1所述的一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，其特征在于，所述底座用以安装轴承盖、电机支架以及三脚支架。考虑到接近开关的使用，在底座的顶面设计了长方形的支架便于安装接近开关。6.根据权利要求1所述的一种可实现单线激光重构三维场景的方法及装置，其特征在于，所述电机支架用以安装步进电机和减速器。其侧板顶...
【专利技术属性】
技术研发人员：张新荣，王瑶，鲁恒愿，唐家朋，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。