技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于三維激光掃描技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種對硐室、巷道、容腔、采空區(qū)等的空間形態(tài)進(jìn)行三維激光掃描的簡易裝置。
背景技術(shù)：
隨著信息科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維模擬、實(shí)物重構(gòu)、虛擬現(xiàn)實(shí)等理論的相繼提出，人們對事物的認(rèn)識已從平面二維空間，逐漸轉(zhuǎn)向空間三維立體思維模式。作為一種空間信息獲取的新技術(shù)手段，三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對觀測目標(biāo)高精度、高速率、連續(xù)和自動的三維數(shù)據(jù)獲取，克服了傳統(tǒng)測量儀器的局限性，成為直接獲取目標(biāo)高精度三維數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)三維可視化的重要手段，但是，現(xiàn)有的三維激光掃描儀過高的價格極大地限制了其應(yīng)用和普及。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了實(shí)現(xiàn)在不接觸、不擾動結(jié)構(gòu)/工程實(shí)體的情況下，全方位對硐室、巷道、容腔、采空區(qū)等進(jìn)行空間形態(tài)三維激光掃描和工程變形的量測、監(jiān)控掃描，本發(fā)明提供一種激光掃描簡易裝置。
一種激光掃描簡易裝置包括平板狀的底座，底座的頂面上設(shè)有360°圓周方位角刻度和萬向水平水準(zhǔn)儀；在360°圓周方位角刻度的中心通過螺栓連接設(shè)有垂直于底座的立柱；所述立柱下部徑向上設(shè)有指針，指針和360°圓周方位角刻度相對應(yīng)；立柱的中部設(shè)有量角器，量角器中心鉸鏈連接著滑桿的一端，滑桿的另一端設(shè)有滑動螺栓，與滑動螺栓配合設(shè)有蝶形螺母；立柱的頂部鉸鏈連接著導(dǎo)桿的一端，導(dǎo)桿上開設(shè)有沿長度方向的滑槽，滑桿上的滑動螺栓位于滑槽內(nèi)，導(dǎo)桿與滑桿通過滑動螺栓和蝶形螺母的配合連接在一起，立柱、滑桿和導(dǎo)桿形成一個活動可變形的三角形，通過滑動螺栓沿滑槽的移動，可改變激光源點(diǎn)射線角度；導(dǎo)桿上部設(shè)有激光測距儀，激光測距儀的發(fā)光點(diǎn)為激光源點(diǎn)位置。
所述底座為圓形平板狀，厚度為不小于1cm；底座的周邊均布設(shè)的縱截面呈倒T形的三個支腳，所述支腳的上部為螺桿，螺桿的上端配合設(shè)有螺母；螺桿的上端穿過底座，位于底座的頂面。
所述立柱的下端設(shè)有圓形的墊片，墊片與立柱固定，墊片的直徑大于立柱的橫截面，用以保證立柱垂直于底座。
所述量角器為半圓形量角器，其圓心處固定連接著立柱。
本發(fā)明的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在以下方面：
1.本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡易、攜帶方便、操作簡單、價格低廉、可大眾化普及。裝置主體由底座、立柱、導(dǎo)桿、滑桿及測距儀組成，小巧輕便，通過旋轉(zhuǎn)立柱和移動滑桿，輕易改變測線方位角和傾角，并根據(jù)測點(diǎn)至激光源點(diǎn)距離、方位角、傾角數(shù)據(jù)，即可計算出測點(diǎn)三維坐標(biāo)；
2.數(shù)據(jù)采集密度可人工隨意控制，極大地減少了數(shù)據(jù)采集量，避免了海量數(shù)據(jù)的后期繁瑣處理。結(jié)合被測物體表面形態(tài)變異特性，通過調(diào)整由立柱、導(dǎo)桿和滑桿構(gòu)成的動態(tài)三角形方位角和滑桿傾角，對被測物體表面形狀變化梯度大的區(qū)域，可采用加密測點(diǎn)的辦法進(jìn)行掃描；而對于形狀變化不明顯的區(qū)域，則可只測量關(guān)鍵點(diǎn)距激光源點(diǎn)距離；由此，極大地減少了冗余數(shù)據(jù)的采集量，優(yōu)化了物體表面形態(tài)測量數(shù)據(jù)，用極少量的數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)高精度的物體表面三維形態(tài)掃描與數(shù)據(jù)處理。
附圖說明
圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1的局部剖視放大圖。
圖3為圖1中滑桿與導(dǎo)桿連接處背面的局部放大圖。
圖4為本發(fā)明激光掃描測點(diǎn)坐標(biāo)計算原理圖。
圖1、圖2、圖3中序號：底座1、支腳2、萬向水平水準(zhǔn)儀3、立柱4、指針5、滑桿6、導(dǎo)桿7、量角器8、激光測距儀9、墊片10、螺栓11、蝶形螺母12、滑槽13、滑動螺栓14。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。
實(shí)施例：
參見圖1、圖2和圖3，一種激光掃描簡易裝置包括圓形平板狀的底座1，厚度為不小于1cm。底座1的頂面上設(shè)有360°圓周方位角刻度和萬向水平水準(zhǔn)儀3；在360°圓周方位角刻度的中心通過螺栓11固定安裝有垂直于底座的立柱4，立柱4的下端設(shè)有圓形的墊片10，墊片10與立柱4固定，墊片10的直徑大于立柱4的橫截面，用以保證立柱4垂直于底座1。立柱4下部徑向上固定安裝有指針5，指針5和360°圓周方位角刻度相對應(yīng)；指針5用以指示旋轉(zhuǎn)支架所在平面的方位角，即掃描激光射線方位角，其值可通過方位刻度圓盤讀數(shù)直接讀取。立柱4的中部設(shè)有半圓形的量角器8，量角器8的圓心處鉸鏈連接著滑桿6的一端，滑桿6的另一端設(shè)有滑動螺栓14，與滑動螺栓14配合設(shè)有蝶形螺母12；立柱4的頂部鉸鏈連接著導(dǎo)桿7的一端，導(dǎo)桿7上開設(shè)有沿長度方向的滑槽13，滑桿6上的滑動螺栓14位于滑槽13內(nèi)，導(dǎo)桿7與滑桿6通過滑動螺栓14和蝶形螺母12的配合連接在一起；立柱4、滑桿6和導(dǎo)桿7形成一個活動可變形的三角形，通過滑動螺栓14沿滑槽13的移動，可改變激光源點(diǎn)射線角度；導(dǎo)桿7的上部固定安裝有激光測距儀9，激光測距儀9的發(fā)光點(diǎn)為激光源點(diǎn)位置。指針5用以指示立柱4、滑桿6和導(dǎo)桿7所在平面的方位角，即掃描激光射線的方位角，方位角數(shù)值可通過指針5指示的方位刻度直接讀取。測量角度由滑桿6與量角器8刻度線疊合處的刻度數(shù)值直接讀取，即傾角；
底座1周邊均布安裝有縱截面呈倒T形的三個支腳2，支腳2的上部為螺桿，螺桿的上端配合設(shè)有螺母；螺桿的上端穿過底座1，位于底座1的頂面。通過調(diào)節(jié)支腳2，確保在各種復(fù)雜地面條件時，裝置的底座1上表面保持水平狀態(tài)，以便于計算掃描激光源點(diǎn)位置坐標(biāo)。
本發(fā)明的原理如下：
參見圖4，根據(jù)說明書附圖，O點(diǎn)為立柱4與導(dǎo)桿7交點(diǎn)，ABCDP面垂直于底座1，A點(diǎn)為O點(diǎn)在ABCDP面上的投影點(diǎn)，B為滑桿6與立柱4交點(diǎn)，D為激光源點(diǎn)，AD＇為AD在過A點(diǎn)與平面平行面上的投影，為導(dǎo)桿7與立柱4的夾角，為ABCDP面的方位角。
已知：，滑桿長度，，，，測距，量角器8讀數(shù)，方位角，，，OA垂直于ABCDP面，且ABCDP面繞OO＇軸旋轉(zhuǎn)，O點(diǎn)坐標(biāo)為，P點(diǎn)坐標(biāo)即為所測點(diǎn)的坐標(biāo)。
根據(jù)此題意，利用三角幾何理論即可求出激光測點(diǎn)P坐標(biāo)如下：
其中，和可由正弦和余弦定理，根據(jù)量角器8讀數(shù)、、值求出。
綜上，只要將該掃描裝置安置在固定點(diǎn)，即可測得目標(biāo)處各點(diǎn)的距離，再利用坐標(biāo)換算以及數(shù)值分析方法獲得測定目標(biāo)的三維坐標(biāo)從而繪制其三維圖。
本發(fā)明激光掃描簡易裝置的具體使用操作如下：
（1）將本發(fā)明激光掃描簡易裝置放置于待測物體下部，通過調(diào)節(jié)三個支腳2螺母，使萬向水平水準(zhǔn)儀3中的氣泡置于水準(zhǔn)儀頂部中央，確保圓形平板狀的底座1上表面處于水平狀態(tài)；
（2）轉(zhuǎn)動立柱4使指針5指到0刻度位置，調(diào)整滑桿6使其內(nèi)側(cè)面與量角器8最小刻度重合，擰緊蝶形螺母12，使立柱4、滑桿6和導(dǎo)桿7組成一個確定的三角形；用激光測距儀9開始測距，并記錄好當(dāng)前掃描激光射線的方位角即指針5方位角、量角器8傾角和源光源點(diǎn)至物體表面測點(diǎn)間距離數(shù)據(jù)；
（3）通過轉(zhuǎn)動立柱4、移動滑桿6改變掃描激光射線的方位角和傾角，即可測出被測物體不同位置至激光源點(diǎn)的距離；
（4）根據(jù)幾何關(guān)系，計算確定各測點(diǎn)P的三維坐標(biāo)，并由此建立被測物體的三維空間形態(tài)模型。
1.一種激光掃描簡易裝置，其特征在于：包括平板狀的底座，底座的頂面上設(shè)有360°圓周方位角刻度和萬向水平水準(zhǔn)儀；在360°圓周方位角刻度的中心通過螺栓連接設(shè)有垂直于底座的立柱；所述立柱下部徑向上設(shè)有指針，指針和360°圓周方位角刻度相對應(yīng)；立柱的中部設(shè)有量角器，量角器中心鉸鏈連接著滑桿的一端，滑桿的另一端設(shè)有滑動螺栓，與滑動螺栓配合設(shè)有蝶形螺母；立柱的頂部鉸鏈連接著導(dǎo)桿的一端，導(dǎo)桿上開設(shè)有沿長度方向的滑槽，滑桿上的滑動螺栓位于滑槽內(nèi)，導(dǎo)桿與滑桿通過滑動螺栓和蝶形螺母的配合連接在一起，立柱、滑桿和導(dǎo)桿形成一個活動可變形的三角形，通過滑動螺栓沿滑槽的移動，可改變激光源點(diǎn)射線角度；導(dǎo)桿上部設(shè)有激光測距儀，激光測距儀的發(fā)光點(diǎn)為激光源點(diǎn)位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光掃描簡易裝置，其特征在于：所述底座為圓形平板狀，厚度為不小于1cm；底座的周邊均布設(shè)的縱截面呈倒T形的三個支腳，所述支腳的上部為螺桿，螺桿的上端配合設(shè)有螺母；螺桿的上端穿過底座，位于底座的頂面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光掃描簡易裝置，其特征在于：所述立柱的下端設(shè)有圓形的墊片，墊片與立柱固定，墊片的直徑大于立柱的橫截面，用以保證立柱垂直于底座。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光掃描簡易裝置，其特征在于：所述量角器為半圓形量角器，其圓心處固定連接著立柱。