三维激光扫描辅助装置及其参考系统旋转方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及三维激光扫描辅助装置及其参考系统旋转方法。现有设备和方法存在工作量大、操作危险、调节高度时需重新调平、坐标转换方法冗余度大等问题。本发明专利技术的三角主支架顶部设置有扫描设备连接器安装三维激光扫描仪，获取被测面以及十字标靶的点云数据；延伸杆水平设置，一端连接到三角主支架下部，另一端设置三维电子罗盘数显，获取活动式三角铁板的倾向和倾角；活动式三角铁板位于侧面并设置有十字标靶。本发明专利技术将十字标靶设置在三角主支架上，无需另设标靶架，减少了工作量；十字标靶位于侧面并可横向伸缩，架设时可先远离被侧面，降低危险度；延伸杆可上下移动，调节高度时无需重新调平；直接利用欧拉角与余弦矩阵实现坐标转换，减少冗余度。减少冗余度。减少冗余度。

【技术实现步骤摘要】
三维激光扫描辅助装置及其参考系统旋转方法


[0001]本专利技术涉及三维激光扫描领域，具体涉及一种三维激光扫描辅助装置及其参考系统旋转方法。

技术介绍

[0002]三维激光扫描技术已在隧洞和岩体边坡测量中被广泛应用，相对于传统测量方式，三维激光扫描基于各种扫描设备获取海量点云数据，能够更加全面的呈现测量对象的三维结构。在扫描过程中，为获取点云数据需要架设控制点并布置扫描设备，扫描设备扫描得到的点云数据为相对坐标，不同控制点扫描出的点云数据处在不同的坐标系下，因此需要将相对坐标转换到同一坐标系下，实现多站拼接。
[0003]对各个扫描设备的坐标参考系统进行旋转和统一，可方便后期的坐标转换，但需要大量设置十字标靶作为控制点，工作量大，影响实施效率。公开号为CN114858140A的专利技术专利，公开了一种基于标靶装置的深埋隧洞结构面点云坐标变换方法及设备，其标靶装置中，在三角标靶架顶部设置第一板面、第二板面以及第三板面，几个板面下方设置有高度调节器，第三板面上设置有三个十字标靶，第三板面靠近于被测面，就可将十字标靶标记在被测面上，而无需将十字标靶直接设置在被侧面上。但是，该标靶装置仅是标靶的承载装置，功能单一，加上其他设备的假设，导致工作量较大；设置有十字标靶的第三板面位于三角标靶架顶部，将十字标靶标记在被测面上时，需要靠近被测面，扫描一些险要位置时存在危险性；在架设好三角标靶架后，若需调节十字标靶的高度，需要通过调整高度调节器实现，则整个标靶装置需要重新调平，较为繁琐。另外，其坐标变换方法采用旋转矩阵实现，采用了9个参数表示三个自由度，冗余度极大。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种三维激光扫描辅助装置及其参考系统旋转方法，以解决现有设备存在的工作量大、操作危险、调节十字标靶高度时需要对整个装置重新调平、以及现有方法存在的冗余度极大的问题。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：
[0006]三维激光扫描辅助装置，所述装置包括三角主支架、延伸杆和活动式三角铁板；
[0007]所述三角主支架的顶部设置有用于安装三维激光扫描仪的扫描设备连接器；
[0008]所述延伸杆水平设置，所述延伸杆的一端活动连接到所述三角主支架的下部，另一端设置有平开合页并连接有活动式矩形钢板，所述活动式矩形钢板的外侧设置有三维电子罗盘数显；
[0009]所述活动式三角铁板为倒等边三角形，所述活动式三角铁板的底部连接到所述活动式矩形钢板的顶部，所述活动式三角铁板包括三个首尾相连的矩形铁板，三个连接点上各设置有一个十字标靶；
[0010]所述活动式三角铁板靠近被测面后，所述三维激光扫描仪用于获取所述被测面以
及所述十字标靶的点云数据，所述三维电子罗盘数显用于获取所述活动式三角铁板的倾向α1和倾角β1。
[0011]进一步地，所述装置还包括第一圆水准器和第二圆水准器；
[0012]所述第一圆水准器设置在所述扫描设备连接器上；
[0013]所述第二圆水准器设置在所述延伸杆上。
[0014]进一步地，所述三角主支架包括三个脚架，所述脚架的底端通过旋转松紧器连接有移动伸缩杆。
[0015]进一步地，其中一个所述脚架的内侧设置有沿所述脚架的长度方向布置的滑槽，所述延伸杆的一端通过旋转松紧器安装到所述滑槽内。
[0016]另一方面，提供三维激光扫描辅助装置的参考系统旋转方法，所述方法基于所述的三维激光扫描辅助装置实施，包括：
[0017]调节所述三角主支架的高度、所述延伸杆的高度以及所述活动式三角铁板的倾斜角度，令所述活动式三角铁板靠近所述被测面，并且使得所述第一圆水准器和所述第二圆水准器的气泡处于居中状态；
[0018]通过所述三维激光扫描仪获取所述被测面以及所述十字标靶的点云数据，从所述点云数据中分别提取三个所述十字标靶的点云坐标P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2,z2)、P3(x3,y3,z3)；
[0019]通过所述三维电子罗盘数显获取所述活动式三角铁板的罗盘倾向α1与罗盘倾角β1；
[0020]根据P1、P2、P3确定所述活动式三角铁板的扫描倾向α2与扫描倾角β2；
[0021]计算α1与β1的法向量n1，以及α2与β2的法向量n2，进而计算n1与n2的夹角θ和旋转轴矢量(r
x
、r
y
、r
z
)；
[0022]根据θ和(r
x
、r
y
、r
z
)分别计算z轴、y轴、x轴的旋转角度α、β、γ；
[0023]结合θ与α、β、γ得到旋转矩阵；
[0024]利用旋转矩阵将所述点云数据的坐标转换成大地坐标。
[0025]进一步地，根据P1、P2、P3确定所述活动式三角铁板的扫描倾向α2与扫描倾角β2，包括：
[0026]根据P1、P2、P3，获得所述十字标靶所在平面的法向量：
[0027][0028]令所述法向量为(a1、b1、c1)，根据所述法向量求出所述十字标靶所在平面即所述活动式三角铁板的扫描倾向α2与扫描倾角β2：
[0029][0030]当b1＞0时，
[0031][0032]当b1≤0时，
[0033][0034]进一步地，计算α1与β1的法向量n1，以及α2与β2的法向量n2，进而计算n1与n2的夹角θ和旋转轴矢量(r
x
、r
y
、r
z
)，包括：
[0035]计算n1和n2：
[0036]n1＝(n
x1 n
y1 n
z1
)＝(sinβ1cosα
1 sinβ1sinα
1 cosβ1)；
[0037]n2＝(n
x2 n
y2 n
z2
)＝(sinβ2cosα
2 sinβ2sinα
2 cosβ2)；
[0038]根据n1与n2计算θ：
[0039]cosθ＝(n
x1
×
n
x2
+n
y1
×
n
y2
+n
z1
×
n
z2
)/(sqrt(n
x12
+n
y12
+n
z12
)
×
sqrt(n
x22
+n
y22
+n
z22
))；
[0040]根据n1与n2叉乘计算(r
x
、r
y
、r
z
)：
[0041]r
x
＝n
y1
×
n
z2
‑
n
z1
×
n
y2
；
[0042本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.三维激光扫描辅助装置，其特征在于：所述装置包括三角主支架(1)、延伸杆(2)和活动式三角铁板(3)；所述三角主支架(1)的顶部设置有用于安装三维激光扫描仪的扫描设备连接器(4)；所述延伸杆(2)水平设置，所述延伸杆(2)的一端活动连接到所述三角主支架(1)的下部，另一端设置有平开合页(19)并连接有活动式矩形钢板(30)，所述活动式矩形钢板(30)的外侧设置有三维电子罗盘数显；所述活动式三角铁板(3)为倒等边三角形，所述活动式三角铁板(3)的底部连接到所述活动式矩形钢板(30)的顶部，所述活动式三角铁板(3)包括三个首尾相连的矩形铁板，三个连接点上各设置有一个十字标靶；所述活动式三角铁板(3)靠近被测面后，所述三维激光扫描仪用于获取所述被测面以及所述十字标靶的点云数据，所述三维电子罗盘数显用于获取所述活动式三角铁板(3)的倾向α1和倾角β1。2.根据权利要求1所述的三维激光扫描辅助装置，其特征在于：所述装置还包括第一圆水准器(5)和第二圆水准器(17)；所述第一圆水准器(5)设置在所述扫描设备连接器(4)上；所述第二圆水准器(17)设置在所述延伸杆(2)上。3.根据权利要求2所述的三维激光扫描辅助装置，其特征在于：所述三角主支架(1)包括三个脚架，所述脚架的底端通过旋转松紧器连接有移动伸缩杆。4.根据权利要求3所述的三维激光扫描辅助装置，其特征在于：其中一个所述脚架的内侧设置有沿所述脚架的长度方向布置的滑槽(29)，所述延伸杆(2)的一端通过旋转松紧器安装到所述滑槽(29)内。5.三维激光扫描辅助装置的参考系统旋转方法，其特征在于：所述方法基于权利要求4所述的三维激光扫描辅助装置实施，包括：调节所述三角主支架(1)的高度、所述延伸杆(2)的高度以及所述活动式三角铁板(3)的倾斜角度，令所述活动式三角铁板(3)靠近所述被测面，并且使得所述第一圆水准器(5)和所述第二圆水准器(17)的气泡处于居中状态；通过所述三维激光扫描仪获取所述被测面以及所述十字标靶的点云数据，从所述点云数据中分别提取三个所述十字标靶的点云坐标P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2,z2)、P3(x3,y3,z3)；通过所述三维电子罗盘数显获取所述活动式三角铁板(3)的罗盘倾向α1与罗盘倾角β1；根据P1、P2、P3确定所述活动式三角铁板(3)的扫描倾向α2与扫描倾角β2；计算α1与β1的法向量n1，以及α2与β2的法向量n2，进而计算n1与n2的夹角θ和旋转轴矢量(r
x
、r
y
、r
z
)；根据θ和(r
x
、r
y
、r
z
)分别计算z轴、y轴、x轴的旋转角度α、β、γ；结合θ与α、β、γ得到旋转矩阵；利用旋转矩阵将所述点云数据的坐标转换成大地坐标。6.根据权利要求5所述的三维激光扫描辅助装置的参考系统旋转方法，其特征在于：根据P1、P2、P3确定所述活动式三角铁板(3)的扫描倾向α2与扫描倾角β2，包括：根据P1、P2、P3，获得所述十字标靶所在平面的法向量：
令所述法向量为(a1、b1、c1)，根据所述法向量求出所述十字标靶所在平面即所述活动式三角铁板(3)的扫描倾向α2与扫描倾角β2：当b1＞0...

【专利技术属性】
技术研发人员：李曙光，张浩，谢江胜，邱士利，谢振坤，张世瑞，贾乐鑫，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：