本發(fā)明屬于激光系統(tǒng)，具體涉及一種激光掃描投影一體化系統(tǒng)及其控制方法，廣泛適用于建筑施工、醫(yī)療設(shè)備、工程裝配等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、激光掃描儀和激光投影儀作為精密測(cè)量與投影技術(shù)的重要組成部分，在工業(yè)與工程領(lǐng)域中被廣泛使用。激光掃描儀通過(guò)激光測(cè)距技術(shù)獲取目標(biāo)物體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，廣泛用于表面測(cè)量、模型重建以及變形監(jiān)測(cè)。激光投影儀則以精確的激光光束為媒介，將數(shù)字化的圖形投射到目標(biāo)表面，用于指導(dǎo)加工、施工或顯示。然而，在現(xiàn)有技術(shù)中，這兩種設(shè)備通常是獨(dú)立設(shè)計(jì)和運(yùn)行的系統(tǒng)，用戶需要在兩者之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換操作。

2、傳統(tǒng)獨(dú)立激光掃描儀和投影儀獨(dú)立使用時(shí)，由于掃描設(shè)備和投影設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)和坐標(biāo)系統(tǒng)通常不一致，傳統(tǒng)解決方案需要復(fù)雜的坐標(biāo)標(biāo)定和校準(zhǔn)過(guò)程，不僅增加了操作的復(fù)雜性，也容易引入誤差，設(shè)備之間協(xié)調(diào)困難，且因視場(chǎng)差異可能導(dǎo)致誤差累積。同時(shí)，單獨(dú)的設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加了系統(tǒng)的體積和成本，限制了便攜性和經(jīng)濟(jì)性，阻礙了其在移動(dòng)場(chǎng)景和快速部署中的應(yīng)用。因此，需設(shè)計(jì)一種集成掃描和投影功能的設(shè)備，通過(guò)光路統(tǒng)一設(shè)計(jì)解決視場(chǎng)不一致的問(wèn)題，簡(jiǎn)化坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程，提高系統(tǒng)的精度和效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中掃描與投影設(shè)備分離設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的效率低下、誤差高和成本增加等問(wèn)題，本發(fā)明提供一種激光掃描投影一體化系統(tǒng)及其控制方法，面向激光掃描儀和投影機(jī)的集成設(shè)計(jì)，通過(guò)mcu微控單元、激光器、動(dòng)態(tài)調(diào)焦模塊、激光分束模塊、二維振鏡模塊、光強(qiáng)探測(cè)模塊、距離探測(cè)模塊及上位機(jī)配合，搭建激光掃描和投影一體化系統(tǒng)，將激光掃描與投影功能集成到一個(gè)設(shè)備中，并設(shè)計(jì)共用光路的系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)通用性強(qiáng)，減小因人為操作引入的操作誤差，實(shí)現(xiàn)高精度、高效率和低成本的目標(biāo)。

2、本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、作為本發(fā)明的第一方面，提供一種激光掃描投影一體化系統(tǒng)，由mcu微控單元、一號(hào)激光器、二號(hào)激光器、動(dòng)態(tài)調(diào)焦模塊、激光分束模塊、二維振鏡模塊、光強(qiáng)探測(cè)模塊、距離探測(cè)模塊、上位機(jī)組成；

4、所述一號(hào)激光器作為激光掃描階段的掃描光源，所述二號(hào)激光器作為激光投影階段的投影光源，一號(hào)激光器和二號(hào)激光器分別由所述mcu微控單元控制開啟或關(guān)閉；

5、在激光掃描階段，mcu微控單元控制一號(hào)激光器開啟，激光掃描光束經(jīng)過(guò)所述動(dòng)態(tài)調(diào)焦模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)焦后出射至激光分束模塊，經(jīng)激光分束模塊透射的激光掃描光束進(jìn)入二維振鏡模塊，二維振鏡模塊在mcu微控單元的控制下進(jìn)行激光掃描光束的偏轉(zhuǎn)控制，使激光掃描光束在目標(biāo)面進(jìn)行移動(dòng)掃描，光強(qiáng)探測(cè)模塊將目標(biāo)面上反射的激光光束的光強(qiáng)信號(hào)傳輸至mcu微控單元，目標(biāo)面上反射的激光掃描光束經(jīng)激光分束模塊反射至距離探測(cè)模塊，并由距離探測(cè)模塊將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至mcu微控單元，二維振鏡模塊同時(shí)將偏轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)傳輸至mcu微控單元；

6、在激光投影階段，mcu微控單元控制二號(hào)激光器開啟，激光投影光束經(jīng)過(guò)所述動(dòng)態(tài)調(diào)焦模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)焦后出射至激光分束模塊，經(jīng)激光分束模塊透射的光束進(jìn)入二維振鏡模塊，二維振鏡模塊受mcu微控單元控制進(jìn)行激光投影光束的擺動(dòng)控制，使激光投影光束在目標(biāo)面產(chǎn)生激光投影圖形，同時(shí)光強(qiáng)探測(cè)模塊將目標(biāo)面上反射的激光光束的光強(qiáng)信號(hào)傳輸至mcu微控單元，mcu微控單元根據(jù)光強(qiáng)信號(hào)控制動(dòng)態(tài)調(diào)焦模塊對(duì)激光投影光束進(jìn)行調(diào)焦，調(diào)整激光投影圖形清晰度；

7、所述上位機(jī)與mcu微控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳遞。

8、進(jìn)一步地，所述一號(hào)激光器與二號(hào)激光器不同時(shí)開啟，掃描階段開啟一號(hào)激光器、關(guān)閉二號(hào)激光器，投影階段關(guān)閉一號(hào)激光器、開啟二號(hào)激光器。

9、進(jìn)一步地，所述一號(hào)激光器波長(zhǎng)與所述二號(hào)激光器波長(zhǎng)不同。

10、進(jìn)一步地，所述二維振鏡模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)激光掃描光束和激光投影光束的偏轉(zhuǎn)控制，在激光掃描階段，激光掃描光束經(jīng)二維振鏡的擺動(dòng)在目標(biāo)面進(jìn)行移動(dòng)掃描，并通過(guò)二維振鏡內(nèi)部集成的角位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)二維振鏡的偏轉(zhuǎn)角度，將偏轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋傳輸至mcu微控單元；在激光投影階段，二維振鏡受mcu微控單元控制進(jìn)行擺動(dòng)，使激光投影光束在目標(biāo)面產(chǎn)生激光投影圖形。

11、進(jìn)一步地，所述光強(qiáng)探測(cè)模塊將目標(biāo)面上反射的激光光束進(jìn)行光信號(hào)捕捉，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送至mcu微控單元進(jìn)行光強(qiáng)能量分析，當(dāng)光強(qiáng)探測(cè)模塊接收的能量信號(hào)為最大值時(shí)，則判定此時(shí)激光光束在目標(biāo)面精準(zhǔn)聚焦。

12、進(jìn)一步地，所述上位機(jī)在激光掃描階段接收mcu微控單元處理的目標(biāo)面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的球坐標(biāo)，將球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三維坐標(biāo)，根據(jù)各掃描點(diǎn)進(jìn)行整合組成目標(biāo)面的三維模型，并根據(jù)用戶需求添加投影圖形；上位機(jī)在激光投影階段將所需投影圖形解算為三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為球坐標(biāo)傳輸至mcu微控單元，由mcu微控單元提取球坐標(biāo)中的角度數(shù)據(jù)，控制二維振鏡模塊的二維振鏡擺動(dòng)，使激光投影光束在目標(biāo)面上投影出用戶所需的投影圖形。

13、作為本發(fā)明的第二方面，同時(shí)提供一種激光掃描投影一體化系統(tǒng)的控制方法，包括：

14、激光掃描階段：上位機(jī)向mcu微控單元發(fā)送激光掃描指令，mcu微控單元控制一號(hào)激光器開啟、二號(hào)激光器關(guān)閉，一號(hào)激光器發(fā)射激光掃描光束，經(jīng)二維振鏡的擺動(dòng)使激光掃描光束在目標(biāo)面進(jìn)行移動(dòng)掃描；mcu微控單元接收二維振鏡模塊采集的二維振鏡的角度數(shù)據(jù)以及距離探測(cè)模塊采集的距離數(shù)據(jù)，結(jié)合距離數(shù)據(jù)和角度數(shù)據(jù)得到目標(biāo)面各掃描點(diǎn)的球坐標(biāo)，生成目標(biāo)面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的球坐標(biāo)進(jìn)行存儲(chǔ)，完成掃描后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，上位機(jī)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)的球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三維空間坐標(biāo)，上位機(jī)根據(jù)各掃描點(diǎn)進(jìn)行整合組成目標(biāo)面的三維模型；

15、激光投影階段：上位機(jī)向mcu微控單元發(fā)送激光投影指令，mcu微控單元控制一號(hào)激光器關(guān)閉、開啟二號(hào)激光器開啟，二號(hào)激光器發(fā)射激光投影光束；上位機(jī)將需要投影的投影圖形的三維空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球坐標(biāo)，將球坐標(biāo)傳送到mcu微控單元，mcu微控單元提取球坐標(biāo)中的角度數(shù)據(jù)，根據(jù)角度數(shù)據(jù)控制二維振鏡模塊的二維振鏡進(jìn)行擺動(dòng)，使激光光束按照預(yù)設(shè)路徑進(jìn)行投影。

16、進(jìn)一步地，所述激光掃描階段，光強(qiáng)探測(cè)模塊對(duì)目標(biāo)面上反射的掃描光束進(jìn)行光信號(hào)的能量捕捉，光強(qiáng)探測(cè)模塊將檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸至mcu微控單元，由mcu微控單元判斷激光光束是否在目標(biāo)面上正確聚焦，mcu微控單元控制動(dòng)態(tài)調(diào)焦模塊對(duì)一號(hào)激光器發(fā)出的掃描光束進(jìn)行調(diào)焦，同時(shí)實(shí)時(shí)分析光強(qiáng)探測(cè)模塊反饋的能量信號(hào)，當(dāng)光強(qiáng)探測(cè)模塊反饋的能量信號(hào)為最大值時(shí)，說(shuō)明一號(hào)激光器所發(fā)射的掃描光源在目標(biāo)面上聚焦完成，此時(shí)反射的掃描光束通過(guò)激光分束模塊反射至距離探測(cè)模塊。

17、進(jìn)一步地，所述激光投影階段，激光投影光束經(jīng)過(guò)激光分束模塊后在目標(biāo)面上得到用戶所需的激光投影圖形，同時(shí)光強(qiáng)探測(cè)模塊將目標(biāo)面上反射的投影光束進(jìn)行光信號(hào)捕捉，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送至mcu微控單元進(jìn)行能量分析，mcu微控單元控制動(dòng)態(tài)調(diào)焦模塊對(duì)二號(hào)激光器發(fā)出的激光投影光束進(jìn)行調(diào)焦，并實(shí)時(shí)分析光強(qiáng)探測(cè)模塊傳回的能量信號(hào)，當(dāng)能量信號(hào)最大值時(shí)停止控制動(dòng)態(tài)調(diào)焦模塊。

18、本發(fā)明具有以下有益效果：

19、本發(fā)明提供一種激光掃描投影一體化系統(tǒng)，將激光掃描與投影功能整合在同一設(shè)備中，通過(guò)共用二維振鏡和光路，實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)一致性和功能協(xié)同。通過(guò)高效算法，快速將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可投影圖形文件，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的投影調(diào)整。采用單一光路設(shè)計(jì)，既降低了光學(xué)組件的復(fù)雜性，又提升了系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和可靠性。所有功能模塊均采用高集成度設(shè)計(jì)，設(shè)備體積小、重量輕，便于攜帶和部署。設(shè)備兼容多種輸入數(shù)據(jù)格式，支持在建筑、工業(yè)等領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。