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CN114964185B - 一种空间数据测量装置及其测量方法 - Google Patents

一种空间数据测量装置及其测量方法 Download PDF

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CN114964185B
CN114964185B CN202210914389.5A CN202210914389A CN114964185B CN 114964185 B CN114964185 B CN 114964185B CN 202210914389 A CN202210914389 A CN 202210914389A CN 114964185 B CN114964185 B CN 114964185B
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Abstract

本发明属于空间测量技术领域，具体公开了一种空间数据测量装置及其测量方法，装置包括三脚架、测量组件和控制组件；所述测量组件包括底座、第一移动部、第二移动部和激光扫描仪，所述激光扫描仪设置在所述第一移动部和第二移动部外表面；控制组件包括柜体，所述柜体内设置有控制装置、以及分别与所述控制装置连接的电源、接收器和驱动器。本发明可以对获取的测量数据进行融合匹配，通过从不同方位对目标的扫描得到的多个测量数据，基于这些测量数据得到的含有目标的图像集，将含有目标的多个图像集依次输入至3DSOM软件中进行建模，以从不同方位对得到的轮廓进行修订。

Description

一种空间数据测量装置及其测量方法
技术领域
本发明属于空间测量技术领域，特别涉及一种空间数据测量装置及其测量方法。
背景技术
物体的空间测量一般采用两种方法，人工采集方法与三维数字化仪采集方法。其中，人工采集方法主要用于传统作物几何形态测量，借助卷尺、量角器等工具，以手工和肉眼观测为主。其观测方法的不精确导致研究效率低，所得结果受主观因素影响较大。三维数字化仪采集主要指通过传感器记录、跟踪探头于三维空间中的位置，从而实现目标物数字化。其常用仪器包括坐标测量机、机械臂式三维扫描仪与电磁式三维数字化仪等。三维数字化仪采集较之人工采集，效率相对有所提高。
目前基于三维数字化仪采集的空间数据利用3D SOM软件进行空间建模，其中，3DSOM软件利用轮廓逼近、顶点分析、三角划分方法对模型加以建立。具体的原理为：首先对所导入的若干多角度图像加以掩饰处理，选择各图片中目标物体所处位置，并将与目标物体无关的背景、定标垫区域等加以识别；依据各多角度图像目标物体部分信息，获取若干多边形近似轮廓，并为每一个近似轮廓加以编号；随后由多边形轮廓计算得到三个顶点，并记录各顶点信息；最后，利用三角格网，将完整表面进行划分，从而勾勒出表面细节。上述即为侧影轮廓方法的“轮廓提取”与“顶点计算及可视外壳生成”步骤的实现。至此，生成了目标物体的外形轮廓模型，由于基于一个测量方向和角度测量得到的外形轮廓模型具有很大的误差，因此一般需要通过获取多个测量方向和角度的测量数据，以对外形轮廓进行修订。但是，在标定好初始位置后，在进行角度和测量方向的移动时，新形成的标定位置于设定的初始位置之间不能形成有效的结合，导致测量数据无法直接按照对应的坐标与之匹配，无法进行二次修订。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种空间数据测量装置。
具体的方案如下：
一种空间数据测量装置，包括三脚架和测量组件；
所述测量组件包括底座、第一移动部、第二移动部和激光扫描仪，所述激光扫描仪设置在所述第一移动部和第二移动部外表面；
所述底座顶部固定设置有第一滑块，所述第一移动部底部设置有第一导轨，所述第一滑块与所述第一导轨滑动连接；所述第一移动部顶部设置有第三导轨，第二移动部底部设置有第二导轨，所述第一移动部和第二移动部之间设置有第二滑块，所述第二滑块的底部和顶部分别与所述第三导轨和第二导轨滑动连接；
所述第一移动部内部设置有第一丝杠，所述第一丝杠的一端连接有第一电机，另一端与所述第一移动部的一侧壁通过轴承连接，所述第一丝杠上贯穿设置有螺栓块，所述螺栓块的顶部与所述第一移动部的顶部内壁固定连接，用于带动第一移动部沿第一导轨滑动；所述第二移动部内部设置有第二丝杠，所述第二丝杠的一端连接有第二电机，另一端与所述第二移动部的一侧壁通过轴承连接，所述第二丝杠上贯穿设置有螺栓块，所述螺栓块的顶部与所述第二移动部的顶部内壁固定连接，用于带动第二移动部沿第二导轨滑动；
所述三脚架的顶部设置有支撑平台，所述支撑平台顶部设置有转动部，所述支撑平台底部设置有水平仪，所述转动部的一端与所述支撑平台转动连接，另一端与所述底座固定连接；
控制组件，所述控制组件与所述第一电机、第二电机和激光扫描仪分别电性连接；
所述控制组件包括柜体，所述柜体内设置有控制装置、以及分别与所述控制装置连接的电源、接收器、驱动器；所述柜体表面设置有显示器和触摸屏，所述显示屏和触摸屏分别与所述控制装置电性连接；
所述接收器用于接收所述激光扫描仪的测量结果；
所述驱动器用于控制所述第一电机和第二电机的运动速度和方向；
测量时，以水平仪的底部为坐标原点建立三维坐标系；通过三脚架顶部的转动部带动测量组件转动，通过接收器获取第一测量数据，所述接收器将所述第一测量数据基于时序实时传输至控制装置内置的处理器中，其中，所述处理器用于基于时序实时检测接收到的第一测量数据中每一组第一图像集所对应的转动部基于坐标原点的转动角度分量，所述控制装置基于转动角度分量形成控制信号并发送至驱动器以控制转动部的转动速率，从而控制每一转动角度分量对应的第一图像集；将所述第一图像集实时的输入至目标检测器以对目标进行检测，当检测到目标存在时，将含有目标的多个所述第一图像集依次输入至3DSOM软件中进行建模，以获取目标的第一轮廓。
进一步地，所述第一移动部和第二移动部结构相同，均为无底矩形空腔结构，所述第一丝杠位于空腔内部，且与空腔转动连接。
进一步地，以水平仪的底部为坐标原点建立三维坐标系是，坐标原点与所述水平仪的底部重合，第一移动板的移动方向与Y轴方向相同，第二移动板的移动方向与X轴方向相同。
进一步地，以水平仪的底部为坐标原点建立三维坐标系时，Z轴坐标为水平仪的底部到待测地面的标量。
本发明还提供了一种空间数据测量方法，所述方法应用于上述所述的装置；所述方法包括以下步骤：
步骤1：调整三脚架，使得三脚架的支撑平台处于水平状态；
步骤2：以水平仪的底部为坐标原点建立三维坐标系；
步骤3：启动激光扫描仪，通过三脚架顶部的转动部带动测量组件转动，通过接收器获取第一测量数据，所述接收器将所述第一测量数据基于时序实时传输至控制装置内置的处理器中，其中，所述处理器用于基于时序实时检测接收到的第一测量数据中每一组第一图像集所对应的转动部基于坐标原点的转动角度分量，所述控制装置基于转动角度分量形成控制信号并发送至驱动器以控制转动部的转动速率，从而控制每一转动角度分量对应的第一图像集；将所述第一图像集实时的输入至目标检测器以对目标进行检测，当检测到目标存在时，将含有目标的多个所述第一图像集依次输入至3DSOM软件中进行建模，以获取目标的第一轮廓；
步骤4：通过驱动器控制第一电机和/或第二电机转动，分别带动第一移动板沿Y轴方向运动和/或带动第二移动板沿X轴方向运动，并驱动转动部转动一个设定的角度，以改变激光扫描仪的初始扫描位置；重复步骤2）和步骤3）以通过从不同方位对目标的扫描得到的多个第二测量数据，基于所述第二测量数据得到的含有目标的第二图像集，将含有目标的所述多个第二图像集依次输入至3DSOM软件中进行建模，以从不同方位对得到的第一轮廓进行修订。
进一步地，所述转动部处设置有驱动电机，所述驱动电机与驱动器电性连接。
进一步地，所述控制装置具有：
时钟单元，所述时钟单元被配置成为数据的接收提供标准时钟时序；
处理器，用于基于时序实时检测接收到的第一测量数据中每一组第一图像集所对应的转动部基于坐标原点的转动角度分量；
控制命令生成部，响应于所述转动角度分量并基于转动角度分量形成控制信号；
执行器，与驱动器耦合，基于所述控制信号以使得驱动器控制转动部的转动速率，从而控制每一转动角度分量对应的第一图像集；
目标检测器，用于将获取的第一图像集输入至目标检测器以检测目标是否存在；
3DSOM软件，将含有目标的多个所述第一图像集依次输入至3DSOM软件中进行建模，以获取目标的第一轮廓。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过调整三脚架，使得三脚架的支撑平台处于水平状态，并以水平仪的底部为坐标原点建立三维坐标系，基于此，通过三脚架顶部的转动部带动测量组件转动，利用激光扫描仪获取第一测量数据并通过接收器发送至处理器中，其中，所述处理器用于基于时序实时检测接收到的第一测量数据中每一组第一图像集所对应的转动部基于坐标原点的转动角度分量，所述控制装置基于转动角度分量形成控制信号并发送至驱动器以控制转动部的转动速率，从而控制每一转动角度分量对应的第一图像集；将所述第一图像集实时的输入至目标检测器以对目标进行检测，当检测到目标存在时，将含有目标的多个所述第一图像集依次输入至3DSOM软件中进行建模，以获取目标的第一轮廓；
在上述中，所述转动部是按照设定的单位量进行逐次转动，每转动一次，所述激光扫描器可以获取设定范围内的图像集。当需要从不同方位对目标的扫描时，通过驱动器控制第一电机和/或第二电机转动，分别带动第一移动板沿Y轴方向运动和/或带动第二移动板沿X轴方向运动，并驱动转动部转动一个设定的角度，以改变激光扫描仪的初始扫描位置。
上述中，沿Y轴和X轴运动的距离以及转动部转动的方向都是基于以水平仪的底部为坐标原点建立三维坐标系下建立的，因此，每一角度的转动都可以获得基于原坐标原点的相对位置，因此角度转动后，可以对获取的测量数据进行融合匹配，通过从不同方位对目标的扫描得到的多个第二测量数据，基于所述第二测量数据得到的含有目标的第二图像集，将含有目标的所述多个第二图像集依次输入至3DSOM软件中进行建模，以从不同方位对得到的第一轮廓进行修订。
附图说明
以下附图仅对本发明作示意性的说明和解释，并不用于限定本发明的范围，其中：
图1：本发明测量设备结构示意图；
图2：测量组件结构示意图；
图3：移动件结构示意图；
图4：控制组件连接关系示意图；
图中：1、三脚架；2、转动部；3、水平仪；4、底座；5、第一移动板；6、第二移动板；7、第一电机；8、第一丝杠；9、第二电机；10、第二丝杠；11、第一导轨；12、第一滑块；13、第二导轨；14、第二滑块；15、激光扫描仪；16、螺栓块；17、轴承；18、控制装置；19、电源；20、显示器；21、触摸屏；22、接收器；23、驱动器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明的第一方面，如图1和图2所示，提供了一种空间数据测量装置，包括三脚架1和测量组件；所述测量组件包括底座4、第一移动部、第二移动部和激光扫描仪15，所述激光扫描仪15设置在所述第一移动部和第二移动部外表面，第一移动部和第二移动部结构相同，均为无底矩形空腔结构。底座4顶部固定设置有第一滑块12，所述第一移动部底部设置有第一导轨11，所述第一滑块12与所述第一导轨11滑动连接；所述第一移动部顶部设置有第三导轨，第二移动部底部设置有第二导轨13，所述第一移动部和第二移动部之间设置有第二滑块14，所述第二滑块14的底部和顶部分别与所述第三导轨和第二导轨13滑动连接；
第一移动部内部设置有第一丝杠8，所述第一丝杠8的一端连接有第一电机7，另一端与所述第一移动部的一侧壁通过轴承17连接，所述第一丝杠8上贯穿设置有螺栓块16，所述螺栓块16的顶部与所述第一移动部的顶部内壁固定连接，用于带动第一移动部沿第一导轨11滑动，第一丝杠8位于第一移动部的空腔内部，且与空腔转动连接；所述第二移动部内部设置有第二丝杠10，所述第二丝杠10的一端连接有第二电机9，另一端与所述第二移动部的一侧壁通过轴承17连接，所述第二丝杠10上贯穿设置有螺栓块16，所述螺栓块16的顶部与所述第二移动部的顶部内壁固定连接，用于带动第二移动部沿第二导轨13滑动，第二丝杠10位于第二移动部的空腔内部，且与空腔转动连接。三脚架1的顶部设置有支撑平台，所述支撑平台顶部设置有转动部2，所述支撑平台底部设置有水平仪3，所述转动部2处设置有驱动电机，所述驱动电机与驱动器23电性连接，所述转动部2的一端与所述支撑平台转动连接，另一端与所述底座4固定连接。
如图3所示，测量装置还包括控制组件，所述控制组件与所述第一电机7、第二电机9和激光扫描仪15分别电性连接；
所述控制组件包括柜体，所述柜体内设置有控制装置18、以及分别与所述控制装置18连接的电源19、接收器22、驱动器23；所述柜体表面设置有显示器20和触摸屏21，所述显示屏20和触摸屏21分别与所述控制装置18电性连接；
所述接收器22用于接收所述激光扫描仪15的测量结果；
所述驱动器23用于控制所述第一电机7和第二电机9的运动速度和方向；
在上述中，控制装置18具有：
时钟单元，所述时钟单元被配置成为数据的接收提供标准时钟时序；
处理器，用于基于时序实时检测接收到的第一测量数据中每一组第一图像集所对应的转动部基于坐标原点的转动角度分量；
控制命令生成部，响应于所述转动角度分量并基于转动角度分量形成控制信号；
执行器，与驱动器耦合，基于所述控制信号以使得驱动器控制转动部的转动速率，从而控制每一转动角度分量对应的第一图像集；
目标检测器，用于将获取的第一图像集输入至目标检测器以检测目标是否存在；
3DSOM软件，将含有目标的多个所述第一图像集依次输入至3DSOM软件中进行建模，以获取目标的第一轮廓。
在上述中，3DSOM软件在建立三维坐标时，坐标原点与所述水平仪3的底部重合，第一移动板5的移动方向与Y轴方向相同，第二移动板6的移动方向与X轴方向相同。以水平仪的底部为坐标原点建立三维坐标系时，Z轴坐标为水平仪的底部到待测地面的标量。
本发明的工作原理为：以水平仪3的底部为坐标原点建立三维坐标系；通过三脚架1顶部的转动部2带动测量组件转动，通过接收器22获取第一测量数据，所述接收器22将所述第一测量数据基于时序实时传输至控制装置18内置的处理器中，其中，所述处理器用于基于时序实时检测接收到的第一测量数据中每一组第一图像集所对应的转动部2基于坐标原点的转动角度分量，所述控制装置18基于转动角度分量形成控制信号并发送至驱动器23以控制转动部2的转动速率，从而控制每一转动角度分量对应的第一图像集；将所述第一图像集实时的输入至目标检测器以对目标进行检测，当检测到目标存在时，将含有目标的多个所述第一图像集依次输入至3DSOM软件中进行建模，以获取目标的第一轮廓，通过从不同方位对目标的扫描得到的多个第二测量数据，基于所述第二测量数据得到的含有目标的第二图像集，将含有目标的所述多个第二图像集依次输入至3DSOM软件中进行建模，以从不同方位对得到的第一轮廓进行修订。
实施例2
本实施例基于实施例1的空间数据测量装置，提供了一种空间数据测量方法，包括以下步骤：
步骤1：调整三脚架1，使得三脚架1的支撑平台处于水平状态；
步骤2：以水平仪3的底部为坐标原点建立三维坐标系；
步骤3：启动激光扫描仪15，通过三脚架1顶部的转动部2分别带动底座4、第一移动部、第二移动部和激光扫描仪15转动，通过接收器22获取第一测量数据，所述接收器22将所述第一测量数据基于时序实时传输至控制装置18内置的处理器中，其中，所述处理器用于基于时序实时检测接收到的第一测量数据中每一组第一图像集所对应的转动部2基于坐标原点的转动角度分量，所述控制装置18基于转动角度分量形成控制信号并发送至驱动器23以控制转动部2的转动速率，从而控制每一转动角度分量对应的第一图像集；将所述第一图像集实时的输入至目标检测器以对目标进行检测，当检测到目标存在时，将含有目标的多个所述第一图像集依次输入至3DSOM软件中进行建模，以获取目标的第一轮廓；
步骤4：通过驱动器23控制第一电机7和/或第二电机9转动，分别带动第一移动板5沿Y轴方向运动和/或带动第二移动板6沿X轴方向运动，并驱动转动部2转动一个设定的角度，以改变激光扫描仪15的初始扫描位置；重复步骤2）和步骤3）以通过从不同方位对目标的扫描得到的多个第二测量数据，基于所述第二测量数据得到的含有目标的第二图像集，将含有目标的所述多个第二图像集依次输入至3DSOM软件中进行建模，以从不同方位对得到的第一轮廓进行修订。
由于沿Y轴和X轴运动的距离以及转动部转动的方向都是基于以水平仪的底部为坐标原点建立三维坐标系下建立的，因此，每一角度的转动都可以获得基于原坐标原点的相对位置，因此角度转动后，可以对获取多个第二测量数据，再根据步骤3所述的原理得到第二图像集，将含有目标的多个第二图像集依次输入至3DSOM软件中进行建模，实现了从不同方位对得到的第一轮廓进行修订，减小了因为测量方向和测量角度对外形轮廓的影响，提高测量精度。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (6)

1.一种空间数据测量装置，其特征在于，包括三脚架和测量组件；
所述测量组件包括底座、第一移动部、第二移动部和激光扫描仪，所述激光扫描仪设置在所述第一移动部和第二移动部外表面；
所述底座顶部固定设置有第一滑块，所述第一移动部底部设置有第一导轨，所述第一滑块与所述第一导轨滑动连接；所述第一移动部顶部设置有第三导轨，第二移动部底部设置有第二导轨，所述第一移动部和第二移动部之间设置有第二滑块，所述第二滑块的底部和顶部分别与所述第三导轨和第二导轨滑动连接；
所述第一移动部内部设置有第一丝杠，所述第一丝杠的一端连接有第一电机，另一端与所述第一移动部的一侧壁通过轴承连接，所述第一丝杠上贯穿设置有螺栓块，所述螺栓块的顶部与所述第一移动部的顶部内壁固定连接，用于带动第一移动部沿第一导轨滑动；所述第二移动部内部设置有第二丝杠，所述第二丝杠的一端连接有第二电机，另一端与所述第二移动部的一侧壁通过轴承连接，所述第二丝杠上贯穿设置有螺栓块，所述螺栓块的顶部与所述第二移动部的顶部内壁固定连接，用于带动第二移动部沿第二导轨滑动；
所述三脚架的顶部设置有支撑平台，所述支撑平台顶部设置有转动部，所述支撑平台底部设置有水平仪，所述转动部的一端与所述支撑平台转动连接，另一端与所述底座固定连接；
控制组件，所述控制组件与所述第一电机、第二电机和激光扫描仪分别电性连接；
所述控制组件包括柜体，所述柜体内设置有控制装置、以及分别与所述控制装置连接的电源、接收器、驱动器；所述柜体表面设置有显示器和触摸屏，所述显示屏和触摸屏分别与所述控制装置电性连接；
所述接收器用于接收所述激光扫描仪的测量结果；
所述驱动器用于控制所述第一电机和第二电机的运动速度和方向；
所述控制装置具有：
时钟单元，所述时钟单元被配置成为数据的接收提供标准时钟时序；
处理器，用于基于时序实时检测接收到的第一测量数据中每一组第一图像集所对应的转动部基于坐标原点的转动角度分量；
控制命令生成部，响应于所述转动角度分量并基于转动角度分量形成控制信号；
执行器，与驱动器耦合，基于所述控制信号以使得驱动器控制转动部的转动速率，从而控制每一转动角度分量对应的第一图像集；
目标检测器，用于将获取的第一图像集输入至目标检测器以检测目标是否存在；
3DSOM软件，将含有目标的多个所述第一图像集依次输入至3DSOM软件中进行建模，以获取目标的第一轮廓；
测量时，以水平仪的底部为坐标原点建立三维坐标系；通过三脚架顶部的转动部带动测量组件转动，通过接收器获取第一测量数据，所述接收器将所述第一测量数据基于时序实时传输至控制装置内置的处理器中，其中，所述处理器用于基于时序实时检测接收到的第一测量数据中每一组第一图像集所对应的转动部基于坐标原点的转动角度分量，所述控制装置基于转动角度分量形成控制信号并发送至驱动器以控制转动部的转动速率，从而控制每一转动角度分量对应的第一图像集，每转动一次，所述激光扫描仪可以获取设定范围内的图像集；将所述第一图像集实时的输入至目标检测器以对目标进行检测，当检测到目标存在时，将含有目标的多个所述第一图像集依次输入至3DSOM软件中进行建模，以获取目标的第一轮廓。
2.根据权利要求1所述的一种空间数据测量装置，其特征在于，所述第一移动部和第二移动部结构相同，均为无底矩形空腔结构，所述第一丝杠位于空腔内部，且与空腔转动连接。
3.根据权利要求1所述的一种空间数据测量装置，其特征在于，以水平仪的底部为坐标原点建立三维坐标系，使坐标原点与所述水平仪的底部重合，第一移动板的移动方向与Y轴方向相同，第二移动板的移动方向与X轴方向相同。
4.根据权利要求3所述的一种空间数据测量装置，其特征在于，以水平仪的底部为坐标原点建立三维坐标系时，Z轴坐标为水平仪的底部到待测地面的标量。
5.一种空间数据测量方法，其特征在于，所述方法应用权利要求1-4任一所述的装置；所述方法包括以下步骤：
步骤1：调整三脚架，使得三脚架的支撑平台处于水平状态；
步骤2：以水平仪的底部为坐标原点建立三维坐标系；
步骤3：启动激光扫描仪，通过三脚架顶部的转动部带动测量组件转动，通过接收器获取第一测量数据，所述接收器将所述第一测量数据基于时序实时传输至控制装置内置的处理器中，其中，所述处理器用于基于时序实时检测接收到的第一测量数据中每一组第一图像集所对应的转动部基于坐标原点的转动角度分量，所述控制装置基于转动角度分量形成控制信号并发送至驱动器以控制转动部的转动速率，从而控制每一转动角度分量对应的第一图像集；将所述第一图像集实时的输入至目标检测器以对目标进行检测，当检测到目标存在时，将含有目标的多个所述第一图像集依次输入至3DSOM软件中进行建模，以获取目标的第一轮廓；
步骤4：通过驱动器控制第一电机和/或第二电机转动，分别带动第一移动板沿Y轴方向运动和/或带动第二移动板沿X轴方向运动，并驱动转动部转动一个设定的角度，以改变激光扫描仪的初始扫描位置；重复步骤2）和步骤3）以通过从不同方位对目标的扫描得到的多个第二测量数据，基于所述第二测量数据得到的含有目标的第二图像集，将含有目标的所述多个第二图像集依次输入至3DSOM软件中进行建模，以从不同方位对得到的第一轮廓进行修订。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述转动部处设置有驱动电机，所述驱动电机与驱动器电性连接。
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