一台荣获金奖的三维激光扫描仪是怎么设计出来的？

Trimble X7 三维激光扫描仪荣获2020年度 DRIVEN x DESIGN 纽约赛区商业和工业产品设计类别金奖

设计灵感

经过大量的市场调查，天宝公司发现我们的客户需要的是一套完整的、向导式的3D扫描解决方案。三维激光扫描仪是用于建筑、测量和刑侦取证等众多领域的高科技且多功能的工具，它提供的点云包括了数以百万计至数以亿计的测量数据，这些数据是建筑、民用基础设施、工业设施、地形测量、文化遗产和事故或犯罪现场重建等领域作为构建文档的基础。

而当今的地面三维扫描仪不再仅以性能来衡量优劣，数据质量更为重要，在现场快速交付经过验证的优质结果才是项目盈利的关键。当今，客户急需要的是一台能够消除扫描的不确定性和复杂性，并提供现场自动配准的系统。使用传统的扫描方式，直到整个项目在内业配准后，结果才能知道。万一有些扫描工作没有做好，客户则需要返回到项目现场，从而导致成本超支。所以，系统工作流必须简单，就算扫描经验不足，也可以快速上手。紧凑、轻便、易携带也是用户非常期待并看中的特性。

同时，用户追求成本效益高、投资回报率高的扫描系统。从购买价格、维护成本、人员成本到准确信息获取和项目交付能力等总体拥有成本都需要被计算在其中。进而，设计Trimble X7扫描系统的主要考量变得非常清晰。

设计团队

设计理念系统中央单元的机械设计必须推动新的技术创新。Trimble X-Drive技术的诞生使X7成为一台在每次扫描前都会完成自动校准和整平的特殊仪器。受保护的中央单元需要将测量级的伺服驱动器与高速扫描、用于测量级自动整平的内部倾斜传感器、用于快速图像获取的校准同轴照相机，以及用于地理参考和单点测量的激光指示器集成在一起。该系统还结合由Trimble Perspective外业软件遵循的智能、简单的工作流程，以实现更完整、更实用的扫描方法。自动化和简易化的结合将降低拥有成本，增加投资回报，并提高效率和用户的信心。自动校准功能了减少了对年度校准的需求，确保了数据质量的一致性，降低了维护成本。自动整平、现场配准和完整项目的可见性也降低了成功执行项目所需的人员经验水平。设计创新Trimble X-Drive技术是一个通过将测量级伺服驱动器与高速扫描镜集成在一起而设计的双垂直偏转驱动系统。全站仪垂直驱动和角度编码器系统集成在照准部内部，因此包括偏转单元和EDM源在内的整个中央单元可以以与全站仪相同的方式围绕耳轴旋转。这是实现开启自动校准和测量等级自动整平等功能的关键。完全不需要目标或用户交互即可执行全角度、距离和轴误差测量。当将仪器设置在垂直轴任意一侧不超过10°的工作范围内以进行竖直或倒置扫描时，自动整平系统具有测量角度补偿，扫描水平测量等级补偿精度优于3”。整平指示灯可以帮助用户调整三脚架，以在倾斜范围内整平仪器，这比传统扫描仪在2°范围内，使用专用测量三脚架整平要容易得多。每次扫描之前都会自动校准和整平，以确保在所有环境条件下数据质量均一，实现准确的现场配准。

设计挑战Trimble X7自动角度和距离校准类似于在生产线上使用校准设备校准标准扫描仪的方式。不同之处在于，用于服务或制造的校准设备个头较大，重量可能超过200千克。同时，校准还需要技术人员和大范围的被测目标。所以，团队面临的挑战是将所有必需的组件小型化，并设计一种无需目标或用户交互即可校准的系统。为了使X7更加紧凑和轻便，新设计被限制在非常狭窄的空间中。对仪器所有功能至关重要的新中央单元设计必须集成扫描仪EDM，偏转镜，倾斜传感器，激光指示器和同轴摄像系统。该摄像系统使用了三个镜头，每个镜头都具有特定的视野，以优化覆盖范围并实现快速图像采集。相机的同轴性通过机械设计和它们的光轴对齐使其可以穿过偏转镜的中心，从而最大程度地减小图像和扫描之间的视差。必须在Trimble Perspective内业软件中实现对激光指示器的控制，因此可以使用扫描站视图轻松定位激光，以便精确测量控制点。IMU也必须集成以支持自动扫描配准。

设备的日常维护Trimble X7团队的设计满足了紧凑、轻便的外形要求，仪器可以随身带上飞机，从而避免了单独运输的需要。整个系统，包括扫描仪、平板电脑、电池和三脚架可以轻松装进一个背包中。一个人带上书包就能去项目现场作业。扫描仪使用与Trimble S系列全站仪相同的电池，电源和USB电缆，以最佳利用现有配件。同样，在开发阶段，不需要寻找新的供应商。扫描仪的核心部件由可回收材料制成，极为环保。封闭式设计帮助X7获得了防尘和防水IP55防护等级，并可以在-20℃至50℃的温度范围内工作，这些都处于行业领先地位。作为一台拥有标配两年质保且可以自主校准的扫描仪，用户无需在正常的使用过程中将设备返厂进行年度校准，进而降低了多方在设备维护上的成本。得益于X7的现场配准，配准精化，数据导出等数据采集工作流程上的全面功能，用户不再需要返回办公室进行点云配准等预数据预处理功能，同时也消除了数据采集不完整所带来的现场返工的风险。

关于DRIVEN x DESIGN

设计界权威与设计爱好者社群创办的DRIVEN X DESIGN 汇聚全球九大城市，包括巴黎、伦敦、悉尼、纽约、柏林、上海、香港等地，是一个为广大设计爱好者呈现全球设计大奖的盛会。此奖项希望透过共同创新，造就非凡的与未来无限的可能性的设计来成为设计界的重要指标大奖，聚焦不同城市，汇聚出设计界的璀璨蓝图。DRIVEN×DESIGN在全球拥有超过75000名会员，7500个品牌及2500个设计工作室，包括BIG, FOSTER, SOM, Gensler等知名设计公司。会员涵盖了全球设计师、思想家、战略家及设计爱好者等。其中“商业和工业产品设计”奖项旨在表彰产品的组成部分或整体的创造性和创新设计。考虑到人类使用、美学、组件和材料的选择，以及组装、制造和整体功能的解决方案。

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来源：天宝Trimble Geospatial

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