阅读说明：本技术 一种地形三维可视化测量装置及其测量方法 (Terrain three-dimensional visual measuring device and measuring method thereof ) 是由 潘宇翔 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种地形三维可视化测量装置及其测量方法,属于三维可视化测量领域。包括机载山地小车、角度调节机构和信息采集机构三部分。机载山地小车包括履带式移动组件、与移动组件相连接的驱动组件；角度调节机构包括设置在壳体顶部的伸缩杆、与伸缩杆通过减震组件连接的旋转平台；信息采集机构包括设置在旋转平台输出端上的激光发生器和CCD相机。本发明通过采用履带式移动组件的移动方式,以适应复杂地形的运动情况,提高履带与地面的贴合程度,进而提高机载山地小车的稳定性；通过旋转平台和伸缩杆,提高信息采集机构的多样性；通过减震组件减小伸缩杆的晃动干扰,进而增加信息采集机构的稳定性。(The invention discloses a three-dimensional visualization measuring device and a measuring method for terrain, and belongs to the field of three-dimensional visualization measurement. The device comprises an airborne mountain trolley, an angle adjusting mechanism and an information acquisition mechanism. The airborne mountain trolley comprises a crawler-type moving assembly and a driving assembly connected with the moving assembly; the angle adjusting mechanism comprises a telescopic rod arranged at the top of the shell and a rotating platform connected with the telescopic rod through a damping component; the information acquisition mechanism comprises a laser generator and a CCD camera which are arranged on the output end of the rotary platform. According to the invention, the moving mode of the crawler-type moving assembly is adopted to adapt to the motion condition of a complex terrain, so that the fitting degree of the crawler and the ground is improved, and the stability of the airborne mountain trolley is further improved; the diversity of the information acquisition mechanism is improved by rotating the platform and the telescopic rod; the shaking interference of the telescopic rod is reduced through the damping component, and the stability of the information acquisition mechanism is further improved.)

一种地形三维可视化测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于三维可视化测量领域，尤其是一种地形三维可视化测量装置及其测量方法。

背景技术

三维可视化是用于显示描述和理解地下及地面诸多地质现象特征的一种工具，广泛应用于地质和地球物理学的所有领域。主要包括以下几个发展方向：1、将地形表面形态的数字化表达，形成数学模型，能够从各个角度观察数据的起伏；2、将地形表面模型与太空观的地图测影像相结合，全球三维影像数据；3、将建筑物和其它三维模型叠加到地形和影像数据中，形成仿真现实世界；4、将虚拟现实技术引入虚拟仿真现实世界中，提高用户体验。其中，上述几个发展方向基础均为地表数据的采集。

移动测量系统一种快速、高效、无地面控制的测绘技术。随着GPS动态定位和高精度定位定姿技术的发展，从而出现了一种新型的遥感信息获取集成型技术系统。但是目前，移动测量系统由于其车载设备的局限性，大多仅应用于城市规划设计中，由于野外测量环境中的地形复杂性、高干扰性，传统车载设备不能够适应其复杂的野外测量环境。另一方面，由于运动过程的干扰和山地地形的限制，不可避免的导致测量设备发生震动，进而影响测量设备测量时的稳定性。

发明内容

发明目的：提供一种地形三维可视化测量装置及其测量方法，以解决上述背景技术中所涉及的问题。

技术方案：一种地形三维可视化测量装置，包括：机载山地小车、角度调节机构和信息采集机构三部分。

机载山地小车，包括履带式移动组件，与所述移动组件相连接的驱动组件，与所述驱动组件相连接的驱动控制器和无线收发组件，以及支撑固定用壳体。

角度调节机构，包括设置在所述壳体顶部的伸缩杆，以及与所述伸缩杆固定连接的旋转平台。

信息采集机构，包括设置在旋转平台输出端上的激光发生器，以及安装在所述壳体上的CCD相机。

作为一个优选方案，所述履带式移动组件包括：弹性履带，位于所述弹性履带一端、且与之啮合的方向轮，与所述方向轮连接的方向控制组件，固定安装在所述弹性履带另一端、与之啮合、且与驱动组件的第一电机相连接的动力轮，均匀分布在所述弹性履带之间的多个随动轮，以及与部分随动轮相连接的张紧组件。

作为一个优选方案，所述方向控制组件包括：套装在所述方向轮的中心轴处的转动轴承，通过连接件与所述转动轴承固定连接的中间轮；其中，所述中间轮与驱动组件的第二电机输出轴相连接。

作为一个优选方案，所述张紧组件包括：两组平面形状为“Y”形、具有3个连接端、且放置方向相反的两组连接杆，在两组连接杆的中心位置通过转动销轴连接在一起；其中，两组连接杆位于销轴下部的第一连接端与位于弹性履带底部的随动轮相连接，两组连接杆位于销轴上部的第二连接端彼此之间通过弹性件连接，两组连接杆与销轴水平设置的第三连接杆分别与动力轮或位于所述方向轮底部的随动轮。

作为一个优选方案，所述旋转平台包括：设置在所述伸缩杆输出端上的定圆盘，固定安装在所述定圆盘中部的Z轴旋转电机，与所述Z轴旋转电机相连接的“L”形第一连接板，与所述连接板的另一端固定安装的X轴旋转电机，与所述X轴旋转电机输出端固定连接的“凵”形第二连接板，安装在所述第二连接板开口端的转轴，设置在所述第二连接板开口端一侧、且与转轴一端相连接的Y轴旋转电机，以及设置在所述第二连接板的另一侧的移动电源和采集控制器；其中，所述移动电源、采集控制器通过电线与所述X轴旋转电机、Y轴旋转电机、Z轴旋转电机相连接。

作为一个优选方案，所述旋转平台与所述伸缩杆连接处设置有减震组件；其中，所述减震组件包括：与所述伸缩杆输出端固定连接的多组连接片，设置在所述连接片上方的多个高弹力硅胶制成的减震球，设置在所述连接片一端、且与所述定圆盘的轮廓相适配的挡板，以及设置在所述减震球上方定圆盘；其中，所述Z轴旋转电机的固定座穿过所述定圆盘固定安装在所述伸缩杆的输出端上。

作为一个优选方案，所述多组减震球组成的几何平面相对保持水平方向设置，且使得所述几何形状的形心靠近所述旋转平台的重心或与所述旋转平台的重心重合。

作为一个优选方案，所述激光发生器内置有多组伺服电机，控制多个扫描棱镜沿轴旋转。

另一方面，基于上述一种地形三维可视化测量装置的测量方法，包括如下步骤：

S1、通过实地考察，确认测量点，通过控制终端规划机载山地小车的运动轨迹，并将信息传输至驱动控制器；

S2、当载山地小车运动至探测点后，通过履带式移动组件调整载山地小车至水平；

S3、通过调整伸缩杆和旋转平台的位置和运动方向，以适应与信息采集机构对三维地形的采集；

S3、通过CCD相机记录激光照射在测量对象上的图像，在镜头上形成不同位置的激光条纹，以此确定测量点和测量对象之间的距离，通过激光出射的相位，确定测试对象上单个点的三维坐标；

S4、通过伺服电机调整扫描棱镜的位置，控住激光发射方向，形成线性扫描区域，同时，通过CCD相机记录激光在测量对象上的位移量，确定测试对象的多个点云的三维坐标；

S5、将上述测量数据汇总、发送至控制终端，然后运动至下一测量点，进行进一步测量。

作为一个优选方案，所述测量对象的三维坐标为：

；

其中，

、

分别为激光出射时横向扫描平面的角度值和纵向值，L为激光发生器与测试对象之间的距离。

作为一个优选方案，测量点和测量对象之间的距离为：

其中，f为CCD相机的焦距，d为激光发生器与CCD相机的实际距离，

为激光发生器发射激光相对于CCD相机的夹角，为带测量的变量，通过计算CCD相机成像后的像素点可以得出。

有益效果：本发明涉及一种地形三维可视化测量装置，通过采用履带式移动组件的移动的方式，适应复杂地形的运动情况，进一步在履带式移动组件设置张紧组件，通过弹性件的调整，提高履带与地面的贴合程度，进而提高机载山地小车的稳定性；通过旋转平台和伸缩杆，提高信息采集机构的多样性，进一步在旋转平台和伸缩杆连接处设置有减震组件，减小机载山地小车运动过程的震动和山地地形面不平稳而形成的晃动干扰，进而增加信息采集机构的稳定性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中履带式移动组件的结构示意图。

图3是本发明中旋转平台的结构示意图。

图4是本发明中减震组件的结构示意图。

图5是本发明中激光发生器的结构示意图。

图6是本发明中距离检测原理示意图。

图7是本发明中三维坐标检测原理示意图。

附图标记为：移动组件1、壳体2、伸缩杆3、旋转平台4、减震组件5、激光发生器6、CCD相机7、弹性履带11、方向轮12、动力轮13、随动轮14、转动轴承15、中间轮16、连接杆17、销轴18、弹性件19、定圆盘41、Z轴旋转电机42、第一连接板43、X轴旋转电机44、第二连接板45、转轴46、Y轴旋转电机47、移动电源48、连接片51、减震球52、挡板53、伺服电机61、扫描棱镜62。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

如附图1所示，一种地形三维可视化测量装置，包括：机载山地小车、角度调节机构和信息采集机构三部分。

机载山地小车包括履带式移动组件1、驱动组件、驱动控制器和无线收发组件。其中，所述驱动组件与移动组件1相连接，提供动力源；驱动控制器和无线收发组件与所述驱动组件相连接，用于与PC控制端之间通过无线连接，传输数据信息；以及其它起支撑固定作用的壳体2，构成记载小车。

在进一步实施例中，如附图2所示，所述履带式移动组件1包括：弹性履带11、方向轮12、方向控制组件、动力轮13、随动轮14和张紧组件。其中，方向轮12位于所述弹性履带11一端、且与之啮合，方向控制组件与所述方向轮12相连接，用来调节方向轮12与地面的高度，进而调整履带与地面的切角；动力轮13固定安装在所述弹性履带11另一端、与弹性履带11啮合、且与驱动组件的第一电机相连接，提供动力；在所述弹性履带11之间均匀分布有多个随动轮14，其中，在部分随动轮14中相连接的张紧组件。由于弹性履带11与地面的接触面积更大，在野外等复杂情况下，机载山地小车无论是处于运动状态、静止状态，都能够保持平稳性、稳定性，进而保证信息采集机构工作环境的稳定性。

在实际运动过程中，但是无可避免的通过一些小土坡或洼地，需要提高履带与地面的切角。在进一步实施例中，所述方向控制组件包括：转动轴承15、中间轮16。其中，在所述方向轮12的中心轴处套装转动轴承15，所述中间轮16通过连接件与转动轴承15固定连接的，所述中间轮16与驱动组件的第二电机输出轴相连接。在第二电机的带动下，可以以方向轮12为轴心，调整方向轮12与地面的高度，进而调整履带与地面的切角，满足不同地形的切角要求。

在进一步实施例中，所述张紧组件包括：两组连接杆17、转动销轴18和弹性件19。其中，所述两组连接杆17的平面形状为“Y”形，具有3个连接端，且其放置方向相反，在两组连接杆17的中心位置通过转动销轴18连接在一起；两组连接杆17位于销轴18下部的第一连接端与位于弹性履带11底部的随动轮14相连接；两组连接杆17位于销轴18上部的第二连接端彼此之间通过弹性件19连接；两组连接杆17与销轴18水平设置的第三连接杆17分别与动力轮13或位于所述方向轮12底部的随动轮14。当机载山地小车停留点（检测点）为小土坡或洼地时，由于履带与地面的接触面较小，导致其自身重心不稳定，很容易受到外界环境的干扰，进而导致信息采集机构的晃动，从而影响测量数据的精准性。由于地面的与履带接触处的压力较大，而所述两个连接杆17形成一个剪式升降机构，能够调整随动轮14的位置，会迫使随动轮14发生位移，使得弹性履带11相对松弛，同时还可以方向轮12主动调整方向轮12位置，从而使履带与地面的接触面变大，提高机载山地小车的水平性和稳定性，减少信息采集机构收到不必要的晃动，提高测量数据的精准性。

角度调节机构，包括设置在所述壳体2顶部的伸缩杆3，以及与所述伸缩杆3固定连接的旋转平台4。其中，如附图3所示，所述旋转平台4包括：设置在所述伸缩杆3输出端上的定圆盘41，固定安装在所述定圆盘41中部的Z轴旋转电机42，与所述Z轴旋转电机42相连接的“L”形第一连接板43，与所述连接板的另一端固定安装的X轴旋转电机44，与所述X轴旋转电机44输出端固定连接的“凵”形第二连接板45，安装在所述第二连接板45开口端的转轴46，设置在所述第二连接板45开口端一侧、且与转轴46一端相连接的Y轴旋转电机47，以及设置在所第二连接板45另一侧的移动电源48和采集控制器；其中，所述移动电源48、采集控制器通过电线与所述X轴旋转电机44、Y轴旋转电机47、Z轴旋转电机42相连接。通过所述X轴旋转电机44、Y轴旋转电机47、Z轴旋转电机42可以控制CCD相机360°的旋转，在伸缩杆3处于倾斜状态，也能调整至水平。

由于旋转平台4与所述伸缩杆3之间采用刚性连接，当受到环境因素干扰时，必然引起信息采集机构晃动。在城市中使用的车载观测系统中，通常会在伸缩杆3周围附加多个引线，与地面相固定，增加信息采集机构稳定性。然而，在野外工作时显然不具有这种条件。因此，如附图4所示，在进一步实施过程中，在所述旋转平台4与所述伸缩杆3连接处设置有减震组件5；其中，所述减震组件5包括：与所述伸缩杆3输出端固定连接的多组连接片51，设置在所述连接片51上方的多个高弹力硅胶制成的减震球52，设置在所述连接片51一端、且与所述定圆盘41的轮廓相适配的挡板53，以及设置在所述减震球52上方定圆盘41；其中，所述Z轴旋转电机42的固定座穿过所述定圆盘41固定安装在所述伸缩杆3的输出端上。

为了进一步提高旋转平台4和伸缩杆3之间的稳定性，所述多组减震球52组成的几何平面相对保持水平方向设置，且使得所述几何形状的形心靠近所述旋转平台4的重心或与所述旋转平台4的重心重合，减少了多个减震球52几何形状的形心相距旋转平台4的重心的距离，可以更好地减小当伸缩杆3、机载山地小车存在平移方向晃动时引起的旋转平台4绕重心的转动振动，从而提高了减震球52的隔振效果，提高对平台的增稳控制效果。减少信息采集机构收到不必要的晃动，提高测量数据的精准性。

信息采集机构，包括设置在旋转平台4输出端上的激光发生器6，以及安装在所述壳体2上的CCD相机7。其中，如附图5所示，所述激光发生器6内置有多组伺服电机61，控制多个扫描棱镜62沿轴旋转，进而控制激光的发射方向，尽可能减小激光发生器6重心的变化，从而减小不必要的晃动。

为了方便理解地形三维可视化测量装置的技术方案，对其工作原理做出简要说明：首先对机载运输设备进行改进，通过采用履带式移动组件1的移动的方式，以适应复杂地形的运动情况，进一步在履带式移动组件1设置张紧组件，通过张紧组件的调整，迫使随动轮14发生位移，使得弹性履带11相对松弛，增大履带与地面的接触面变大，提高履带与地面的贴合程度，进而提高机载山地小车的水平性和稳定性；通过旋转平台4和伸缩杆3相配合的方式，提高信息采集机构的多样性，但同时由于旋转平台4的重心较高，会产生不必要的晃动，因此，在旋转平台4和伸缩杆3连接处设置有减震组件5，减小机载山地小车运动过程的震动和山地地形面不平稳而形成的晃动干扰，进而增加信息采集机构的稳定性；同时，设计减震球52的安放位置，使得其减少了多个减震球52几何形状的形心相距旋转平台4的重心的距离，提高其减震、增稳的效果。

另一方面，基于上述一种地形三维可视化测量装置的测量方法，做出简要说明，包括如下步骤：

S1、通过实地考察，确认测量点，通过控制终端规划机载山地小车的运动轨迹，并将信息传输至驱动控制器；

S2、当载山地小车运动至探测点后，通过履带式移动组件1调整载山地小车至水平；

S3、通过调整伸缩杆3和旋转平台4的位置和运动方向，以适应与信息采集机构对三维地形的采集；

S3、通过CCD相机7记录激光照射在测量对象上的图像，在镜头上形成不同位置的激光条纹，以此确定测量点和测量对象之间的距离，通过激光出射的相位，确定测试对象上单个点的三维坐标；

S4、通过伺服电机61调整扫描棱镜62的位置，控住激光发射方向，形成线性扫描区域，同时，通过CCD相机7记录激光在测量对象上的位移量，确定测试对象的多个点云的三维坐标；

S5、将上述测量数据汇总、发送至控制终端，然后运动至下一测量点，进行进一步测量。

更具体的，如附图6所示，从激光发生器6（A点）发生一束激光，照射在测量对象（B点），然后通过CCD相机7上的透镜在成像阵列D点处成像，E点为测量对象（B点）位于无限远时在成像阵列上像，因此，有测量点和测量对象之间的距离为：

其中，f为CCD相机7的焦距，d为激光发生器与CCD相机7的实际距离，

为激光发生器发射激光相对于CCD相机7的夹角，

为带测量的变量，通过计算CCD相机7成像后的像素点可以得出。

更具体的，如附图7所示，所述测量对象的三维坐标为：

；

其中，、

分别为激光出射时横向扫描平面的角度值和纵向值，L为激光发生器6与测量对象之间的距离。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。