一种水下偏心双旋轴激光扫描仪的制作方法

1.本发明涉及激光扫描仪技术领域，尤其涉及一种水下偏心双旋轴激光扫描仪。


背景技术：

2.水下地形测量是工程测量中的一种特定测量，测量江河、湖泊、水库、港湾和近海水底点的平面位置和高程，用以绘制水下地形图的测绘工作。主要内容是在陆地建立控制网和进行水下地形测绘，水下地形测绘包括测深点定位、水深测量、水位观测和绘图，测深点定位的方法有断面索法、经纬仪或平板仪前方交会法、六分仪后方交会法、全站式速测仪极坐标法、无线电定位法、水下声学定位和差分gps定位法等。水深测量采用测深杆、测深锤和回声测深仪等器具，水底高程是根据水深测量和水位观测成果计算，最后用等深线(或称等高线)表示水底的地形情况。水深测量的传统工具是测深杆和测深锤。现代普遍使用回声测深仪，精度和效率均大为提高，最大测深可达10000m，并已从单频、单波束发展到多频、多波束，从点状、线状测深发展到带状测深，从单纯测深发展到图像显示和实时绘图。例如海底地貌探测仪(又称侧扫声纳)，可探测礁石、沉船等船底航行障碍物的概略位置、范围、形状、性质和海底表面形态，并以图像显示。多被束测深系统能同时发射数十个相邻的窄波束，配合微处理机精确测出，并以图像显示一定宽度的航行线水下障碍物位置，深度、范围、形状以及海底的地貌，由机助绘图仪绘出等深线图。此外，还在探索利用双频激光、卫星像片或航空像片测量解译水深，为水深测量技术的发展开辟新的途径。目前，受水体浑浊度的影响，光学摄像头在水下的摄影范围、水下的观测距离和以及清晰度都会受到很大影响甚至无法看清目标，无法完成目标物搜寻检测等工作，而激光在水下传输受水环境影响较小，是水下测绘、勘察、检测、定位最有效的手段。
3.现有技术中，cn205027316u公开了一种快速三维激光扫描仪，其激光头包括激光发射器和激光接收器，电机控制模块控制第一电机和第二电机，第一电机控制反光镜旋转使激光束进行竖直方向上的线扫描，激光头固定在水平旋转台上，第二电机用于控制水平旋转台旋转，激光在进行线扫描的同时进行水平方向扫描。cn113790369a披露了一种一种三维激光扫描仪，包括底座和设置在底座上的机体，所述底座上设置有固定结构，所述固定结构包括沿不少于三个周向设置在底座上且可伸缩的支撑件、设置在底座上且用于驱使多个支撑件同时伸缩的驱动件，所述支撑件沿平行于底座上表面的方向伸缩，能形成较为稳定的固定效果。但是现有技术中的激光扫描仪发散角小，带来的问题就是激光扫描的均匀度不够，需要多次重复扫描，甚至由于固定的发射点和发射角度，无法扫描到一些死角，对实用性造成了极大的影响，同时也大大增加了同一工作的重复度，降低了工作效率。
4.加拿大voyis公司水下三维激光扫描器可适用于固定点静态扫测或与rov/auv水下机器人系统集成进行动态扫测应用。该激光扫描器可在光学可视范围内对各类型水下目标、结构物和海底环境进行实时、快速的图像采集并生成毫米级的三维数字模型。目前己在市政水下工程检测、水利水电结构物检测 海洋考古、核电、海洋工程、渔业水产、海洋科学调查等项目中广泛应用。目前的水下三维激光扫描器其扫描位置相对固定，多用于静态的
扫测，扫描的视界会受限于固定支架的方向导致无法做到全方位的数字模型扫描重建，其单独工作时无法应用于动态扫描，需要配合水下机器人集成使用，对水下机器人的灵活性以及机动性要求较高。如何克服上述现有技术方案的不足, 成为本技术领域亟待解决的课题。


技术实现要素：

5.为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种水下偏心双轴式激光扫描仪，水底测量的传统工具是探测杆和探测锤，采用激光雷达探测能够做到从点状、线状探测发展到带状探测，从单纯测深发展到图像显示和实时绘图。激光雷达实时发出多个范围的激光并对激光进行接收，配合处理器精确运算，可以以图像显示一定范围内航线上水下障碍物位置、深度、范围、形状以及海底的地貌等。
6.本发明具体采用如下技术方案。
7.一种水下偏心双旋轴激光扫描仪，所述水下偏心双旋轴激光扫描仪包括：激光雷达仪器结构、潜航器结构；所述激光雷达仪器结构包括雷达主体部分、偏心轴部分；所述雷达主体部分包括雷达组件下壳体、第一电机、导电滑环、雷达组件、雷达组件上壳体；所述偏心轴部分包括同轴齿环、雷达组件底座；所述潜航器结构包括潜航器壳体、摄像机、第二电机、垂直螺旋桨、垂直螺旋桨支架、第三电机、推进螺旋桨、推进螺旋桨支架、航空接头、螺钉、航空接头盖板。
8.进一步，雷达组件嵌入雷达组件上壳体的槽口内，并通过槽口下方的预留孔装入螺钉，实现雷达组件的固定。
9.进一步，在雷达组件下壳体内对准预留槽装入并固定导电滑环，同时在雷达组件上壳体的下方对齐装配雷达组件下壳体、导电滑环与同轴齿环通过螺钉进行固定，通过后方同轴齿环的圆柱空槽装入第一电机并使之固定。
10.进一步，所述雷达组件下壳体与雷达组件上壳体组成一个整体在第一电机驱动同轴齿环的带动下实现水平方向上的自旋。
11.进一步，螺钉将雷达组件固定到雷达组件上壳体上形成偏心旋转结构，雷达组件为激光雷达，其自身形成自旋完成偏心双旋轴的旋转。
12.进一步，导电滑环保证激光雷达组件旋转过程中不会出现线束缠绕，第一电机为雷达组件提供动力，螺钉固定雷达组件下壳体、第一电机、雷达组件上壳体，同轴齿环固定连接第一电机的旋转部分与雷达组件，雷达组件底座将第一电机与潜航器壳体相连，潜航器壳体用于放置电子仪器。
13.进一步，摄像机通过卡扣的方式嵌入潜航器壳体内，将第二电机以及结构固定在潜航器壳体内部的底座上，然后分别从潜航器壳体的顶部与尾部的空洞插入垂直螺旋桨与推进螺旋桨，并分别与第二电机和第三电机轴向固定。
14.进一步，在潜航器壳体顶部，通过卡扣的方式插入垂直螺旋桨支架并固定，尾部同样通过卡扣的方式插入推进螺旋桨支架并固定；潜航器壳体尾部的预留阶梯孔内安装入航空接头，并通过螺钉将航空接头盖板固定在航空接头外部。
15.进一步，第二电机带动垂直螺旋桨完成设备上升下潜动作，螺旋桨支架用于保护螺旋桨，第三电机带动推进螺旋桨推动潜航器水平方向前进后退，推进螺旋桨支架保护推进螺旋桨运动不受破坏，并保证运行过程中足够的水量通过，航空接头用于数据传输，螺钉固定航空接头盖板，将航空接头固定到潜航器主体上。
16.本发明还涉及一种水下偏心双旋轴激光扫描仪的扫描方法，所述方法采用如上所述的水下偏心双旋轴激光扫描仪，所述方法包括：基于激光雷达slam的3d地图构建；联合惯性测量信息移除扰动；基于惯性导航与icp的联合姿态估计；采用迭代最近点算法（iterative closest point, icp）进行位姿估计和点云融合。
17.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1、本发明结构简便，没有多余配件，可操作性强，精确度高，价格低廉，根据需要可以设计制造出不同尺寸和精度的产品，不仅适用于地面的测绘，而且适用于隧道的整体性三维建模，具有很高的经济效益和社会效益，适用于不同大小和尺寸的环境的建模，在环境测量中具有广泛的应用价值；2、有效解决了固定式位扫描，只能为设备提供比较窄的视界范围，扫描视界小于90
°
，成像的现场窗口窄，扫描效率低，工作效率低下的问题。
18.3、创新性通过双轴不同心的错位布置结构，保证了在扫描仪工作时的百分百对周围场景的全方位扫描，避免了在扫描时出现同心双轴扫描仪在扫描过程中绕z轴扫描的一部分会被机身遮挡而导致扫描场景不全面的问题出现，进一步减少了重复扫描的工作量，提高了工作效率。
19.4、创新性的采用无人潜水器的方式搭载激光雷达扫描仪，从而使其可以应用于海洋环境和水下目标探测等领域，如水深估测、海洋叶绿素浓度和海洋污染探测等。
附图说明
20.图1是本发明的轴侧结构示意图；图2是本发明的正等轴测结构示意图；图3是本发明的上边结构示意图；图4是本发明的底面结构示意图；图5是本发明的背面结构示意图；图6是本发明的雷达组件结构示意图；图7是本发明的潜航器结构示意图。
21.图8是本发明基于激光雷达slam的3d地图构建方法示意图。
22.图9是本发明的点云融合示意图。
23.图10是本发明偏心双旋轴结构示意图。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明
的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。
25.除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
26.本发明的具体实施例涉及水下双轴式激光扫描仪，包括激光雷达仪器结构，潜航器结构。
27.所述激光雷达仪器结构包括雷达主体部分、偏心轴部分。
28.所述雷达主体部分包括雷达组件下壳体1、第一电机2、导电滑环3、雷达组件4、雷达组件上壳体5。
29.所述偏心轴部分包括同轴齿环6、雷达组件底座7。
30.所述潜航器结构包括潜航器壳体8、摄像机9、第二电机10、垂直螺旋桨11、垂直螺旋桨支架12、第三电机13、推进螺旋桨14、推进螺旋桨支架15、航空接头16、螺钉17、航空接头盖板18。
31.所述雷达主体部实际组装时，雷达组件4嵌入雷达组件上壳体5的槽口内，并通过槽口下方的预留孔装入螺钉，实现雷达组件4的固定；固定完好之后，在雷达组件下壳体1内对准预留槽装入并固定导电滑环3，同时在雷达组件上壳体5的下方对齐装配雷达组件下壳体1、导电滑环与同轴齿环6，并通过螺钉进行固定，装配好之后，通过后方由同轴齿环6的圆柱空槽装入第一电机2并使之固定，最终完成偏心轴精密仪器结构的组装。
32.所述偏心轴部分实际使用时，雷达组件下壳体1与雷达组件上壳体5组成一个整体在电机2驱动同轴齿环6的带动下实现水平方向上的自旋，螺钉将雷达组件4固定到雷达组件上壳体5上形成偏心旋转结构，雷达组件4为激光雷达，其自身形成自旋完成偏心双旋轴的旋转，导电滑环3保证激光雷达组件4旋转过程中不会出现线束缠绕，电机2为雷达组件4提供动力，螺钉固定雷达组件下壳体1、电机2、雷达组件上壳体5，同轴齿环6固定连接电机2旋转部分与雷达组件4，雷达组件底座7，将电机2与潜航器壳体8相连，潜航器壳体8用于放置电子仪器。
33.潜航器可实现激光雷达的水下工作，实际组装时，将摄像机9通过卡扣的方式嵌入潜航器壳体8内，将第二电机10以及结构13固定在潜航器壳体8内部的底座上，然后分别从结构8的顶部与尾部的空洞插入垂直螺旋桨11与推进螺旋桨14，并分别与第二电机10和第三电机13轴向固定，在潜航器壳体8顶部，通过卡扣的方式插入垂直螺旋桨支架12并固定，尾部同样通过卡扣的方式插入推进螺旋桨支架15并固定，最后在潜航器壳体8尾部的预留阶梯孔内入航空接头16，并通过结构17将航空接头盖板18固定在航空接头16外部。
34.潜航器部件可以在水下进行自由的运动，实际使用时，潜航器主体8存储电器设备，摄像机9作为激光雷达的辅助探测设备，第二电机10带动垂直螺旋桨11完成设备上升下潜动作，螺旋桨支架12用于保护螺旋桨，第三电机13带动推进螺旋桨14，推动潜航器水平方向前进后退，推进螺旋桨支架15保护推进螺旋桨14运动不受破坏，并保证运行过程中足够的水量通过，航空接头16用于数据传输，螺钉17固定航空接头盖板18，航空接头盖板18将航
空接头16固定到潜航器主体上。
35.本发明系统的核心是雷达组件4，其中负责扫描的为激光雷达扫描系统，包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。
36.其原理为激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。
37.因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，激光器的位置和激光发射方向，准确地计算出每一个地面光斑的坐标x，y，z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。
38.举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，激光雷达系统的地面光斑间距在2-4m不等。
39.激光雷达最基本的工作原理与雷达非常相近，即由雷达发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。脉冲激光不断地扫描目标物，就可以得到目标物上全部目标点的数据，用此数据进行成像处理后，就可得到精确的三维立体图像。
40.至于目标的径向速度，可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度。
41.本发明采用基于激光雷达slam的3d地图构建方法。
42.激光扫描仪在移动过程中识别到重复路径后，将该路径视为一个“回环”并构建图模型，通过使目标函数（即总体误差）最小化的方式来提高地图精度，避免地图模糊、重复或断裂。如果回环检测成功，可以显著地减小累积误差，进行更精准、快速的避障导航工作，因此，回环检测在大面积、大场景地图构建上是非常有必要的。
43.slam采用图优化的方式进行建图，当激光扫描仪运动到已经探索过的原环境时，slam 可依赖内部的拓扑图进行主动式的闭环检测。当发现了新的闭环信息后，slam使用bundle adjustment(ba)等算法对原先的位姿拓扑地图进行修正（即进行图优化），从而能有效的进行闭环后地图的修正，实现更加可靠的环境建图。构建3d地图时，对于位置a和位置b，计算它们之间的相似性评分：s(a,b)，使用 tf-idf方法。如附图7所示。
44.tf表示：某特征在一幅图像中经常出现，它的区分度就越高。idf的思想是，某特征在字典中出现的频率越低，则分类图像时的区分度越高。
45.对于idf部分，假设所有特征数量为n，某个节点的wi所含的数量特征为，那么该单词的idf为：是指某个特征在单副图像中出现的频率。假设图像a中单词wi出现了n次，而一共出现的单词次数是n，那么tf为：使用l1范数形式计算俩副图像相似度：
上式中，表示位置a地图中所有特征的tf-idf的集合、表示位置b地图中所有特征的tf-idf的集合、表示a地图中单个特征的tf-idf、表示b地图中单个特征的tf-idf。
46.本发明通过联合惯性测量信息移除扰动。
47.在设备运行过程中，不可避免的会存在一些晃动，点云扰动存在于每一帧，影响位姿估计的准确度。因此，移除点云扰动非常必要。这里，主要考虑由于平台的非均匀运动导致的点云运动扰动。实施步骤如下：第1步：用时间戳标记激光帧中的激光点，每一帧的所有激光点都被标记时间戳，其中是激光帧的扫描周期，是起始激光点时间戳，是当前激光点时间戳。
48.式中是当前激光扫描角度，是最终激光扫描角度。
49.第2步：找到从时间戳k到k 1的连续imu测量，它是最接近当前激光点时间戳的imu测量。
50.第3步：通过整个过程，可以获得imu在时刻k 和 k 1在世界坐标系中的位姿，k 1在世界坐标系中的位姿，第4步：使用线性插值方法以确定imu在时刻在世界坐标系中的位姿，其等价于找到当前位姿 。公式如下：。公式如下：。公式如下：第5步：要解决的是当前激光点相对开始点由于非均匀运动导致的运动扰动。由于当前激光点和开始点的位置,和速度可以获得通过, 可以得到运动扰动
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在开始的激光坐标系中。
51.第6步：变换开始点坐标系中的所有激光点，并且对每个激光点，提取它们的点云运动扰动 。
52.本发明使用基于惯性导航与icp的联合姿态估计的算法。
53.选用迭代最近点算法（iterative closest point, icp）进行位姿估计和点云融合。点云融合是构建地图过程中的关键步骤，需要通过坐标平移和旋转，将不同位置姿态的激光雷达获取的点云转换成统一的坐标系，并拼接成一个完整点云，如附图8所示。
54.通过迭代最近点算法，可以将一个点云通过刚性旋转平移矩阵转换到目标点云所在的参考系，实现两个点云的坐标系统一。点云的坐标转换关系式为 式中，表示目标点云，表示原始点云，分别为绕轴的旋转角度，分别为沿轴方向的平移量，对于点云p和点云x，其各含有和个点，使用迭代最近点算法计算旋转矩阵和平移矩阵的步骤为：第一步：对点云p进行齐次坐标变换，并在点云x中寻找点云p中各点的欧氏距离最近点，将最近的两点作为匹配点对，计算全部匹配点对的欧式距离平方和式中，为点云x中各点的坐标，为点云p中各点的坐标。
55.第二步：计算点云p的质心和点云x的质心：第三步：计算两点云的协方差矩阵：
第四步：根据协方差矩阵的反对称阵构造，可得：式中，为3
×
3单位矩阵。
56.四元数组可以表示为：其中，为刚性旋转矩阵，为：其中分别为：分别为：分别为：平移矩阵：偏心双轴结构原理与作用除却激光雷达的核心功能，本发明的双轴扫描机构实现方式是：创新性的设计了偏心双轴精密仪器结构，其中一轴绕y轴旋转，实现了绕y轴方向的场景扫描与数字化建模，同时激光雷达自身绕z轴旋转，实现了绕z轴方向的场景扫描与数字化建模，如此循环往复，即可实现全方位环境的三维建模。
57.同时，相比于同心双轴结构将激光雷达与扫描仪机身布置于同一水平面的结构设计，本发明将激光雷达中心轴线与扫描仪机身轴线的布置错位放置，如此保证了在扫描时避免出现了同心双轴扫描仪在扫描过程中绕z轴扫描的一部分会被机身遮挡而导致扫描场景不全面的问题出现，进一步减少了重复扫描的工作量，提高了工作效率。
58.本发明的偏心双轴精密仪器结构创新式采用了双轴不同心的错位布置结构，如图所示，水平方向延伸的轴1通过电机的驱动带动激光雷达组件转动，实现了绕x轴的旋转，竖直方向延伸的轴2通过激光雷达自身轴体实现绕z轴的转动。在保证双轴旋转的同时，通过将穿过激光雷达形心的水平轴线与轴1上下错位布置，例如，将穿过激光雷达形心的水平轴线设置在轴1上方，从而保证了在扫描仪工作时对周围场景的百分百全方位扫描，避免了未采用错位布置的同心双轴结构中由于机身自身的遮挡所造成的扫描场景不全面的问题。
59.本发明的偏心双轴精密仪器结构创新式采用了双轴不同心的错位布置结构，保证了在扫描仪工作时的百分百对周围场景的全方位扫描，避免了同心双轴布置中由于机身遮挡所造成的扫描场景不全面的问题。
60.本发明的双轴精密仪器结构相比于单轴激光雷达扫描仪创新性实现了单扫描仪可同时实现绕y,z两轴的场景扫描，极大的提高了扫描场景的丰富程度，减少了同一工作的重复性，并提高了工作效率。
61.本发明的双轴精密仪器结构相比于传统单面激光雷达创新实现了绕单轴360
°
全方位的场景扫描，使扫描场景不在受限于雷达的视野开度，不并且不再有单方面的死角存在，通过单面绕轴旋转的方式实现全方位的扫描也极大的降低了研发与制作成本，不需要再为了激光雷达单方向更广的视野而投入过多的研发成本与研究精力。
62.通过本发明的偏心双轴设计，成功将扫描视界从90
°
提升到了360
°
，大大提高了成像的现场窗口，从而通过单次扫描时间内扫描更多的物体提高了扫描效率与工作效率，解决了目前激光雷达扫描仪的主要问题。
63.同时本发明的偏心双轴设计模块化程度高，零部件精简，精确度高，操作难度低；可以此同心双轴模块为核心延展设计各种适配其他功能的延展产品。
64.本发明导电滑环原理与作用。
65.为实现激光雷达绕单轴360
°
全方位的场景扫描的功能，本发明创新采用了导电滑环这一电气结构，从而解决了激光雷达在360度旋转过程中导线缠绕问题。
66.导电滑环是一个可以从固定装置传输电流、数据信号到旋转装置的机电部件，也称之为导电环、集电环、汇流环、电刷、旋转电气关节或电气转头。滑环可以应用于任一要求无限制连续旋转的机电系统中，已广泛应用于游乐、通信、安防、电力、仪表、化工、医疗、雷达、航空、军事、船舶、运输、建筑、工业自动化等机电设备上。
67.导电滑环是利用导电环的滑动接触、静电耦合或电磁耦合，在固定座架转动部件与滚动或滑动部件之间传递电信号和电能传递的精密输电装置。广泛应用于要求提供无限制，连续或断续的360度旋转，提供多通路的旋转动力、数据和讯号时的所有机电系统。其大大简化系统结构，避免导线在旋转过程中造成扭伤。
68.工作原理是旋转和静止之间的运转，一个从固定装置传输电流和数据的信号到一个旋转装置的机电部件，内部可以分为电滑环、光滑环以及流体滑环，而且这些滑环有一个共同的名字，名为旋转连通，滑环一般安装在设备的旋转中心，主要是旋转和静止两个部分，旋转成为转子、静止称之为是定子。
69.而转子和定子之间是不会出现交叉和干涉的，因为两者之间的设计结构都通过了精密叠加，在组装的时候就会一一对应，形成之间的通路，不会出现互相干涉的情况。
70.导电滑环的存在能够大大简化系统结构，避免导线在旋转过程中造成损伤。
71.无人潜航器，英文名（unmanned underwater vehicle)是没有人驾驶、靠遥控或自动控制在水下航行的器具，主要指那些代替潜水员或载人小型潜艇进行深海探测、救生、排除水雷等高危险性水下作业的智能化系统。因此，无人潜航器也被称为“潜水机器人”或“水下机器人”。
72.无人遥控潜航器（rov）系统组成一般包括：动力推进器、遥控电子通讯装置、摄像头、偏心结构旋转组件、用户外围传感器接口、实时在线显示单元、导航定位装置、自动舵手导航单元、辅助照明灯和凯夫拉零浮力拖缆等单元部件。
73.其特点在于小型化轻量化，使其应用范围广，灵活度高，可控程度强，在水下的各种军用民用领域均得到了很好的发展。
74.本发明的水下机动结构设计结合偏心双轴精密仪器结构设计，创新性的实现了激光雷达扫描仪在水下工作的可能性，相比于传统水下激光雷达扫描器只能固定在单一位置对特定一个方向进行扫描，本发明得益于潜航器的工作，可以随时随地对水下的任何场景进行全方位无死角的扫描与数字化模型重建，极大的提高并拓宽了激光雷达扫描仪在水下的工作场景。
75.如上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。