一种三维激光扫描信号同步及修正方法

摘要

利用可编程逻辑器件(FPGA)对激光测距传感器的输出信号进行解码，得出被测点距离L；同步采集并修正激光测距模块的扫描光轴OE与两个扫描轴的夹角α，β，利用几何关系计算出被扫描点E的三维空间坐标(x，y，z)。该方法由下述部分构成：UART同步监控及解码模块；水平轴角度解码模块；垂直轴角度解码模块；水平轴转速计算模块；垂直轴转速计算模块；锁存器；角度位置修正模块；以及数据输出接口。各个部分功能全部由可编程逻辑器件(FPGA)实现。本发明能够快速实现扫描旋转轴的角度位置与激光测距模块的高精度数据同步，并且不需要激光测距模块输出同步信号，功能模块化，操作简单、提高了数据同步精确性。

权利要求

1.一种三维激光扫描信号同步及修正方法，其步骤为：A、UART同步监控及解码：

利用可编程逻辑器件（FPGA）对激光测距传感器的输出信号进行采集和解码，并在检测到激光测距传感器测得的距离数据L后，输出一个同步信号Sync，用来同步锁存该时刻对应的两个扫描轴的夹角α‘、β’和转速ωα、ωβ，该时刻相对于激光测距传感器的实际测量触发时刻有一个δ的延时，通过对δ参数的调整，实现数据同步精度的修正；

B、水平轴角度解码：

利用可编程逻辑器件（FPGA）对水平扫描轴的角度编码器信号进行解码，得到水平扫描轴的实时角度位置信息α‘；

C、垂直轴角度解码：

利用可编程逻辑器件（FPGA）对垂直扫描轴的角度编码器信号进行解码，得到垂直扫描轴的实时角度位置信息β’；

D、水平轴转速计算：

利用可编程逻辑器件（FPGA）对水平扫描轴的角度解码输出的角度数据进行计算，得出水平扫描轴的转速ωα，利用水平扫描轴的转速ωα数据并结合UART同步监控及解码输出的Sync信号相对于激光测距传感器的实际测量触发时刻有一个延时δ，实现数据同步精度的修正；

E、垂直轴转速计算：

利用可编程逻辑器件（FPGA）对垂直扫描轴的角度解码输出的角度数据进行计算，得出垂直扫描轴的转速ωβ，利用垂直扫描轴的转速ωβ数据并结合UART同步监控及解码输出的Sync信号相对于激光测距传感器的实际测量触发时刻有一个延时δ，实现数据同步精度的修正；

F、水平轴数据锁存：

利用可编程逻辑器件（FPGA）实现锁存器，用来锁存水平扫描轴的角度解码和转速计算对应于UART同步监控及解码输出Sync时刻的角度α‘及转速ωα；

G、垂直轴数据锁存：

利用可编程逻辑器件（FPGA）实现锁存器，用来锁存垂直扫描轴的角度解码和转速计算对应于UART同步监控及解码输出Sync时刻的角度β’及转速ωβ；

H、角度位置修正：

将锁存的角度α‘及转速ωα数据，锁存的角度β’及转速ωβ，按照α＝α‘-δ*ωα，β＝β’-δ*ωβ公式计算，通过调整延时参数δ实现数据同步精度的调整，实现对数据同步精度的修正；

I、数据输出：

将激光测距传感器测得的距离L、修正后的两个扫描轴的角度数据α，β按照所需的数据格式输出。

说明书

一种三维激光扫描信号同步及修正方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种激光测距方法，更具体的涉及一种三维激光扫描信号同步及修正方法。实现扫描旋转轴的角度位置与激光测距模块的高精度数据同步。广泛应用于三维激光扫描设备。

背景技术

[0002] 便携式高精度三维激光扫描仪是光机电一体化高精密仪器设备，是国际上近期发展的一项高新技术。它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标信息和反射率信息，将各种大实体或实景的三维数据完整的采集到电脑中，进而快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据，既省时又省力，这种能力是现行的三维建模软件所不可比拟的。

[0003] 便携式高精度三维激光扫描仪的一个重要指标是测量精度，扫描旋转轴的角度位置与激光测距模块的高精度数据同步是保证测量精度的前提条件，如果数据同步精确度不高，则很难实现更高精度的测量。

[0004] 但是，现有的三维激光扫描仪，扫描旋转轴的角度位置与激光测距模块的高精度数据同步效果普遍都不是太好。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提出了一种三维激光扫描信号同步及修正方法。实现扫描旋转轴的角度位置与激光测距模块的高精度数据同步。广泛应用于三维激光扫描设备。

[0006] 为实现上述目的，采用如下技术方案：

[0007] 一种三维激光扫描信号同步及修正方法，其步骤为：

[0008] A、UART同步监控及解码：

[0009] 利用可编程逻辑器件(FPGA)对激光测距传感器的输出信号进行采集和解码，并在检测到激光测距传感器的有效数据L后，输出一个同步信号Sync，用来同步锁存该时刻对应的两个扫描轴的夹角α′、β′和转速ωα、ωβ，该时刻相对于激光测距传感器的实际测量触发时刻有一个δ的延时，通过对δ参数的调整可以调整数据的同步精度；

[0010] B、水平轴角度解码：

[0011] 利用可编程逻辑器件(FPGA)对水平扫描轴的角度编码器信号进行解码，得到水平扫描轴的实时角度位置信息α′；

[0012] C、垂直轴角度解码：

[0013] 利用可编程逻辑器件(FPGA)对垂直扫描轴的角度编码器信号进行解码，得到垂直扫描轴的实时角度位置信息β′；

[0014] D、水平轴转速计算：

[0015] 利用可编程逻辑器件(FPGA)对水平扫描轴的角度解码输出的角度数据进行计算，得出水平扫描轴的转速ωα，利用水平扫描轴的转速ωα数据并结合UART同步监控及解码输出的Sync信号相对于激光测距传感器的实际测量触发时刻有一个延时δ，可以实现数据同步精度的修正；

[0016] E、垂直轴转速计算：

[0017] 利用可编程逻辑器件(FPGA)对垂直扫描轴的角度解码输出的角度数据进行计算，得出垂直扫描轴的转速ωβ，利用垂直扫描轴的转速ωβ数据并结合UART同步监控及解码输出的Sync信号相对于激光测距传感器的实际测量触发时刻有一个延时δ，实现数据同步精度的修正；

[0018] F、水平轴数据锁存：

[0019] 利用可编程逻辑器件(FPGA)实现锁存器，用来锁存水平扫描轴的角度解码和转速计算对应于UART同步监控及解码输出Sync时刻的角度α′及转速ωα；

[0020] G、垂直轴数据锁存：

[0021] 利用可编程逻辑器件(FPGA)实现锁存器，用来锁存垂直扫描轴的角度解码和转速计算对应于UART同步监控及解码输出Sync时刻的角度β′及转速ωβ；

[0022] H、角度位置修正：

[0023] 将锁存的角度α′及转速ωα数据，锁存的角度β′及转速ωβ，按照α＝α′-δ*ωα，β＝β′-δ*ωβ公式计算，通过调整延时参数δ实现数据同步精度的调整，实现对数据同步精度的修正；

[0024] I、数据输出：

[0025] 将激光测距传感器测得的距离L、修正后的两个扫描轴的角度数据α，β按照所需的数据格式输出。

[0026] 本发明的原理为：

[0027] 利用可编程逻辑器件(FPGA)对激光测距传感器的输出信号进行解码，得出被测点距离L；同步采集并修正激光测距模块的扫描光轴OE与两个扫描轴的夹角α，β(如图1所示)，利用几何关系计算出被扫描点E的三维空间坐标(x，y，z)。

[0028]

[0029] 该方法由下述部分构成：UART同步监控及解码模块；水平轴角度解码模块；垂直轴角度解码模块；水平轴转速计算模块；垂直轴转速计算模块；锁存器；角度位置修正模块；以及数据输出接口。各个部分功能全部由可编程逻辑器件(FPGA)实现。

[0030] 与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：

[0031] 1、通过可编程逻辑器件(FPGA)对激光测距传感器的输出信号进行解码并产生同步信号。

[0032] 2、利用可编程逻辑器件(FPGA)对两个扫描旋转轴上角度编码器进行解码，得出两个扫描旋转轴的角度位置数据α′、β′。

[0033] 3、利用可编程逻辑器件(FPGA)对两个扫描旋转轴上角度编码器进行解码，计算出两个扫描旋转轴的旋转速度ωα、ωβ。

[0034] 4、根据同步延时参数δ可以对两个扫描旋转轴的角度位置按公式α＝α′-δ*ωα，β＝β′-δ*ωβ进行修正，通过对同步延时参数δ的调整可以实现对数据同步精度的调整。

[0035] 5、本发明结构简单，价格低廉，所有功能全部采用可编程逻辑器件(FPGA)实现。

[0036] 6、不需要激光测距模块输出的同步信号进行数据同步。

[0037] 7、同步精度可已通过参数δ进行调节，可实现高精度数据同步。

[0038] 8、所有功能模块化，便于实现及产品系统集成。

[0039] 如上所述，当在三维激光扫描系统中采用本发明时，能够快速实现扫描旋转轴的角度位置与激光测距模块的高精度数据同步，并且不需要激光测距模块输出同步信号，因此该发明可以兼顾所有激光测距模块。通过调整参数δ可以对数据同步的精确度进行调整，所有功能模块化，故具有操作简单、改善数据同步调整效率、提高数据同步精确性等等效果。

附图说明

[0040] 图1为一种三维激光扫描原理示意图。

[0041] 图2为一种可编程逻辑器件内部功能模块示意图。

具体实施方式

[0042] 实施例1：

[0043] 如图2所示，所述三维激光扫描信号同步及修正方法具体包括：UART同步监控及解码模块12；水平轴角度解码模块10；垂直轴角度解码模块11；水平轴转速计算模块20；垂直轴转速计算模块21；锁存器30和31；角度位置修正模块40；以及数据输出接口41。各个部分功能全部由可编程逻辑器件(FPGA)实现。

[0044] 其中，所述UART同步监控及解码模块12对激光测距传感器的输出信号进行采集和解码，并在检测到激光测距传感器的有效数据L后，输出一个同步信号Sync，同时将信号Sync同步至锁存器30和31，锁存器开始对角度位置信息和转速数据进行锁存，该时刻相对于激光测距传感器的实际测量触发时刻有一个δ的延时。

[0045] 其中，所述水平轴角度解码模块10对水平扫描轴的角度编码器信号进行解码，得到水平扫描轴的实时角度位置信息α′，同时将角度位置信息α′送至锁存器30。

[0046] 其中，所述垂直轴角度解码模块11对垂直扫描轴的角度编码器信号进行解码，得到垂直扫描轴的实时角度位置信息β′，同时将角度位置信息β′送至锁存器31。

[0047] 其中，所述水平轴转速计算模块20对水平扫描轴的角度解码输出的角度数据进行计算，得出水平扫描轴的转速ωα，同时将水平扫描轴的转速ωα送至锁存器30。

[0048] 其中，所述垂直轴转速计算模块21对垂直扫描轴的角度解码输出的角度数据进行计算，得出垂直扫描轴的转速ωβ，同时将垂直扫描轴的转速ωβ送至锁存器31。

[0049] 然后，所述角度位置修正模块40对锁存器30中的角度α′及转速ωα，对锁存器31中的角度β′及转速ωβ，按照公式α＝α′-δ*ωα，β＝β′-δ*ωβ计算，通过调整延时参数δ实现数据同步精度的调整，实现对数据同步精度的修正。

[0050] 最后，所述数据输出接口41将激光测距传感器测得的距离L、修正后的两个扫描轴的角度数据α，β按照所需的数据格式输出。