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三维旋转激光扫描系统设计与实现

吴俣  
【摘要】: 三维激光扫描技术,可以快速而精确地获取现实世界的几何特征信息,完成对目标物体和相应场景的数字化建模。在工业、国防、测绘、文物保护、虚拟现实和可视化等诸多领域,该技术已经得到了广泛的应用。其中,由二维激光扫描器增加与扫描方向相正交的一维运动轴,可以用低廉的价格得到三维激光扫描器。常见的三维旋转式激光扫描系统主要由二维激光传感器获取扫描路径上一系列连续测量点的距离信息和垂直面的角度信息,由旋转平台上的角度传感器获取扫描瞬时的平面角度信息。通过时间匹配,将测量点坐标转换至三维空间坐标系下,得到相应的三维激光点云。 本文设计了一种基于伺服电机、单片机和双读数头的三维激光扫描系统,主要用于360度的旋转扫描,以获取场景的三维数据。该扫描系统实现了自定角度、速度、方向和数据获取频率的旋转式扫描,具有很好的旋转平面角精度和测点精度。同时,以组件的方式构成,可以通过更换更高精度的激光传感器并负载CCD相机,实现更强大的扫描功能。其中,旋转测量平台负载大,适用于各种不同的二维扫描传感器,可以自行设置数据获取的频率,方便与扫描传感器进行时间同步。该设计针对实际中细节扫描的需求,数据获取频率、旋转初始和终止角度以及旋转速度可调,具有很强的操控性。上位机实时处理和显示激光点云,方便观测。系统中采用的多种控制误差方法,有效地减小了系统误差,使系统的精度达到很高的水平。 本文根据二维激光传感器,设计并实现了三维扫描的相应组件。着重研究了减少误差和提高精度的方法,经大量的系统标定实验证明,本文设计和实现的360度三维旋转激光扫描系统具有快速精确的特点,最大角度分辨率为2角秒,测量精度为厘米级,可以用于三维场景重建。


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