[发明专利]一种手持式扫描仪锚点对准的装置及方法

权利要求书

1.一种手持式扫描仪锚点对准的装置，包括主体结构(1)，其特征在于：所述主体结构(1)底部固定连接有手持部(2)，所述主体结构(1)顶部左侧支架之间设置有激光瞄准器(7)，所述主体结构(1)右侧内壁之间固定连接有电机(3)，所述电机(3)的输出端固定连接有激光雷达底座(5)，所述激光雷达底座(5)顶部和底部内壁之间设置有激光雷达(4)，所述主体结构(1)顶部设置有惯导单元(6)，所述主体结构(1)外侧固定连接有外壳(9)，所述电机(3)与激光瞄准器(7)均贯穿并伸出对应外壳(9)一侧，所述惯导单元(6)位于外壳(9)内部，所述外壳(9)前侧中间贯穿设置有瞄准按钮(8)。

2.根据权利要求1所述的一种手持式扫描仪锚点对准的装置，其特征在于：所述激光瞄准器(7)的输出光线末端设置有设定场景(10)，所述设定场景(10)上设置有锚点(11)，所述激光瞄准器(7)的输出光线于设定场景(10)上形成光斑(12)。

3.根据权利要求1所述的一种手持式扫描仪锚点对准装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：对齐装置

瞄准器瞄准时按下瞄准按钮触发手持式扫描仪记录下瞄准的时刻，瞄准按钮可以在手持式扫描仪上的实体按键，可也以为通过软件在屏幕上显示的虚拟按键；

S2：瞄准器初始标定

瞄准器安装后需要对瞄准器的安装位置进行标定，瞄准器发射光斑为一条射线，该射线在手持式扫描仪为坐标原点的坐标系下表现方式为一个途经点L₀(l_x，l_y，l_z)加其射线方向向量L_v(lv_x，lv_y，lv_z)，标定即为获取L₀和L_v参数的过程，标定过程如下：

①准备一块不透明的标定板，标定板中间贴上与周围颜色或材质不相同的瞄定物，可以与标定板区分出来；

②手持式扫描仪在距离标定板不同位置(如d₁，d₂)对标定板扫描，同时瞄准器光斑瞄准标定板上的瞄定物，此时电机带动激光雷达旋转，能够使视野有限的激光雷达能够充分扫描到整个标定板，通过激光瞄准器与主体结构的相对角度可以计算得到瞄准靶点在激光雷达中扫描到的点云中的投影位置信息，手持扫描仪利用slam的方式能够生成标定板的整体点云图(C₁，C₂)，一般只需要两个不同位置即可，多个位置更能增加标定的准确性；

③标定板点云图(C₁，C₂)的坐标原点都是手持式扫描仪，在C₁，C₂中根据点云的反射强度选出瞄定物对应的点云的坐标点P₁，P₂，此时

S3：锚点对准

激光雷达在设定场景中扫描时，经过锚点附近时，将激光瞄准器发射的光线打在场景中生成的光斑对准锚点，按下瞄准按钮触发手持式扫描仪记录下此时的时间t_k，在对准时附近的一段时间(一般为t_k前后激光雷达绕电机转一圈，如电机转一圈为4秒，则为t_k前后各两秒内)(t₁，t₂…t_m-1，t_m…t_n)内激光雷达对锚点及其旁边场景进行了持续的扫描，其中t_m-1＜t_k＜t_m。激光雷达对应时间获取到的点云为(c₁，c₂…c_m-1，c_m…c_n)，此时手持式扫描仪通过slam算法得到每个时刻手持式扫描仪的位姿(T₁，T₂…T_m-1，T_m…T_n)，每个位姿分别由(x，y，z，γ，β，α)三个平移分量和三个绕X、Y、Z轴旋转的角度分量组成，其变换矩阵的表示方式为其中sα＝sin(α)，ca＝cos(α)，sβ＝sin(β)，cβ＝cos(β)，sγ＝sin(γ)，cγ＝cos(γ)。由于两个相邻的时刻时间间隔较小一般为0.1秒，可以简单的认为在0.1秒内手持式扫描仪位姿变化为匀速，此时通过插值（理论上位移变化为线性插值，角度变化为四元数上的球面插值，这里由于时间间隔短，可以认为角度也近似为线性插值）能够算出t_k时刻对应的位姿T_k＝T_m-1*α+T_m*β，其中α＝(t_m-t_k)/(t_m-t_m-1)，β＝(t_k-t_m-1)/(t_m-t_m-1)。此时将扫描到的(c₁，c₂...c_m-1，c_m...c_n)全部变化到t_k时刻位姿T_k的坐标系下，得到点云C_all＝T_k^-1*(T₁*c₁+T₂*c₂+...+T_n*c_n)，其中T_n*c_m含义为将c_m中的每个点通过变换为同时瞄准器t_k时刻的射线在位姿T_k的坐标系的表现方式为标定后的途经点L₀加其射线方向向量L_v，对点云C_all中的点(pc₁，pc₂...pc_n)进行遍历，计算每个点到摄像的距离其中统计出d_k最小的点pc_k即为锚点在t_k时刻位姿T_k坐标系下的映射点，锚点在手持扫描仪生成的场景图中的坐标值为Pl_k＝T_k*pc_k，此时得到了锚点在手持扫描仪生成的场景图中的坐标值，将该坐标值与锚点在大地坐标系下的坐标值利用非线性优化方法，即可完成手持式扫描仪建图与锚点对齐。