CN100451672C - 自动测定两个物体间相对方向的系统和实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明的能量发射器在能量发射控制模块的控制下发出预定形状的能量束，其一部分透过固定反射镜射达旋转扫描模块中匀速旋转的反射镜；其反射的扫描能量束进行扫描；扫描位置探测模块向微计算机系统发出信号，计算出旋转反射镜旋转一周所需时间和在特定位置的时间；当扫描到再归反射跟踪器时，后者反射出的能量束被反射回去，经旋转反射镜、固定反射镜和凸透镜会聚到能量接收处理模块中的能量接收感应器上；处理后的信号由微计算机系统把接收到信号的时间与上述的时间进行比较，计算出再归反射跟踪器相对于运动扫描模块的角度。

Description

自动测定两个物体间相对方向的系统和实施方法

技术领域

本发明涉及一种自动测定两个物体间相对方向的系统和实施方法，通过对一定范围空间内发射能量信号进行扫描，并根据被测物体接收到此能量信号的时刻来确定相对测量者的准确方向，以便控制机械设备转动对准被测物体。它属于以采用光学方法为特征的测量和控制装置及实施方法。

背景技术

在近距离(20米左右)应用中，有许多场合要求一个物体能感知并指向另一个运动物体的方向。比如，电视会议系统，可视电话以及网络远程教育中实时采集主课堂教学现场信息的摄影等。其他领域类似的运用也很多。

在通常的电视会议系统，可视电话系统中，摄像机被固定在一个系统的主体上，只能对处于既定视野内的对象进行拍摄，一旦使用者在谈话期间移动，就要顾及该摄像机，并不得不在观察监视器的同时直接地调节摄像机，这种系统的使用颇为不便。

传统的自动跟踪装置包括用于在水平和垂直方向上旋转摄像机的一个摄像机驱动装置和一个用于检测目标移动的运动检测器，该装置产生对应于被测的目标运动矢量的大小和方向的马达驱动信号，并控制摄像机，以便使得该目标定位在摄像机镜头的前方，从而解决了使用上的不方便。但是，在上述的自动方法中，由于使用了图像处理技术，跟踪的实时性受到影响。在目前该类成熟的应用中，存在不少问题。比如，一旦画面中出现颜色与被跟踪物体相似的物体时，很容易发生跟踪失误，而且当目标运动到摄像机取景范围以外时，摄像机便不能够跟踪目标。因此，当用户想要让一个视频照相机(摄像机)跟踪目标在某一区域的自由运动的时候，这项的技术的局限性就变得相当明显。

美国专利5,465,144(Remote tracking system for moving picture camerasand method)中，提出了根据相机中的控制系统所含有的一个参考位置来计算一个目标物的转移角度方向和转移速度，据此确定该移动目标物的实际角度位置，从而控制相机的镜头对准、跟踪该目标物的方法。该方法用来自一固定位置(base)的持续红外线能量源信号，对含有某一目标物的区域进行扫描。这个能量源根据相机的控制系统中所含有的参考位置来改变信号，使每一次扫描过程中该目标物能接收到多个强度级别的扫描信号，从而产生指示扫描信号和物体之间的对准的信息。在目标物上检测其所接收到的信号的强度级别，得到信号里所提供的对准信息。之后从目标物上产生一个返回信号，这个返回信号里包含有从目标物上接收到的位置信息的指示。固定位置(base)接收到返回信号，获取位置指示信息，得出参考位置，确定扫描信号和目标物的相对角度，从而使安装有相机的控制系统进行相应的机械转动，以实现对目标物的跟踪。

上述方法有其合理性，但是，由于使用旋转的镜头，其扫描信号的扫描有效角度范围较小(90度)，故跟踪范围不够大；由于使用了峰值检测技术，系统的分辨率和抗干扰性能不高；对信号发射的机械控制条件要求高，否则难以达到精确的扫描和理想的跟踪效果。

中国专利局申请号为93104684.X的专利也是一种自动跟踪装置。它的实现是这样的：用带有发射机的主动机遥控带有接收机的被动机，使被动机自动跟随主动机的转动而转动直至对准主动机，从而实现对主动机的跟踪的方法。主动机可以发射电磁波信号和红外信号，被动机采用方向性天线和互成一定角度的两只限向红外接收管来接收信号。由于红外接收管在管窗中有一定的指向，方向性天线也有方向性，通过接收到的电磁波和红外信号就可以使被动机指向主动机。由于电磁波本身固有的特性，电磁波的干扰、反射等比较严重，在近距离判别方向误差很大。而成一定角度的两只限向红外接收管接收红外信号时，由于红外信号发射具有一定方向性，这就要求主动机的红外发射面要始终面向被动机，这就造成使用上极为不便。此类遥控跟踪方法过于粗略，无法达到精确的跟踪、监测效果，其实用性也较差。

发明内容

本发明的目的是，提供一种自动测定两个物体间的相对方向的系统和实施方法，该系统整合了计算机软硬件、电磁波、激光、红外、传感、单片机的高新技术，提供一种易于实现、精确度高、实时性好的自动测量装置和方法，以较低的成本实现了对运动目标的自动跟踪。

本发明的技术方案是：自动测定特定运动物体相对基准位置的方向的系统，包括一微计算机系统、向微计算机系统提供信号的扫描位置探测模块，能量接收处理模块、旋转扫描模块、能量发射器以及能量发射控制模块。所述的能量发射控制模块的输出端与能量发射器联接，后者对旋转扫描模块发射能量，形成在空间运动的扫描能量束；设有再归反射跟踪器，所述的扫描能量束的一部分能量被再归反射跟踪器原路反射回去，形成反射能量束，它通过反射能量接收通道达到其末端的凸透镜，并聚焦于能量接收处理模块中的能量接收感应器；该能量接收感应器通过有线联接将接收能量的时间记录于微计算机系统；扫描位置探测模块将探测到的能量的位置信号反馈给能量发射控制模块和微计算机系统；所述的反射能量接收通道包括一个对所述能量具有高反射率的旋转反射镜和一个固定反射镜，以及一个凸透镜，从再归反射跟踪器反射回来的部分能量通过上述三镜所构成的通道聚焦在能量接收感应器上。

所述的旋转扫描模块包括安装在旋转反射镜转轴上的旋转反射镜和旋转反射镜座，其驱动装置由扫描电机、小皮带轮、皮带和大皮带轮组成；再归反射跟踪器的每个基本单元由能反射所述的能量的三片互相垂直的镜片、或微棱镜、或反射材料制成的微珠构成。所述的扫描位置探测模块由旋转反射镜位置指示片和旋转反射镜位置探测器构成；旋转反射镜位置探测器可以是光续断器或霍尔元件；旋转反射镜位置指示片可以由能量遮挡、反射材料或磁性材料构成。所述的能量发射器发出的能量可以是可见光、或者是红外光、或者是紫外光、或者是可见光激光、或者是红外光激光、或者是紫外光激光。所述的固定反射镜是一种能部分反射和部分透射能量的镜片；也可以是中间具有狭缝的反射镜；固定反射镜的平面与能量发射器发射的能量所成角度不小于0度，不大于90度。

自动测定特定运动物体相对基准位置方向的系统的实施方法，其步骤如下：

被固定于所述系统的能量发射器在能量发射控制模块的控制下发出预先定义好形状的能量束，它的一部分透过固定反射镜，照射到达旋转扫描模块中的旋转反射镜。

安装在旋转反射镜转轴上的旋转反射镜和旋转反射镜座在扫描电机、小皮带轮、皮带和大皮带轮的带动下匀速旋转。

旋转反射镜反射的扫描能量束在旋转反射镜前面的空间中进行扫描。

扫描位置探测模块在特定位置上向微计算机系统发出信号，微计算机系统精确计算出旋转反射镜旋转一周所用的时间和旋转反射镜在特定位置的时间。

当扫描能量束扫描到再归反射跟踪器时，再归反射跟踪器反射出反射能量束，反射能量束沿着原来扫描能量束的方向反射回去，在经过旋转反射镜、固定反射镜和凸透镜之后，会聚到能量接收处理模块中的能量接收感应器上。

在能量信号被能量接收处理模块处理之后，输出到微计算机系统中，微计算机系统把接收到信号的时间与旋转反射镜旋转一周所需要的时间进行比较，计算出再归反射跟踪器相对于运动扫描模块的角度。

在垂直和水平方向同时使用这样的装置和方法，就可以在空间中获得指向再归反射跟踪器的方向。

本发明的优点在于：与同类装置和方法相比，结构简单，测量自动化程度高，抗干扰能力强，可用于自动跟踪摄像、自动跟踪照明、自动检测场合，在工农业生产、国防、远程教学、视频会议领域都有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明的一个最佳实施例的一个系统结构框图

图2是图1中旋转扫描模块的结构俯视图

图3是图1中旋转扫描模块、扫描位置探测模块和反射能量接收通道的结构俯视图

图4是图1中旋转扫描模块、扫描位置探测模块和反射能量接收通道的结构前面图

图5是图1中能量接收处理模块的组成和工作流程框图

图6是图1中能量发射控制模块的组成和工作流程框图

图7是图1中扫描位置探测模块的组成和工作流程框图

图中包括：微计算机系统(1)、能量发射控制模块(2)、扫描位置探测模块(3)、能量接收处理模块(4)、能量发射器(5)、旋转扫描模块(6)、再归反射跟踪器(7)、反射能量接收通道(8)、固定反射镜(9)、扫描部分底板(10)、大皮带轮(11)、旋转反射镜(12)、旋转反射镜座(13)、旋转反射镜位置指示片(14)、凸透镜(15)、能量接收感应器(16)、扫描电机(17)、小皮带轮(18)、皮带(19)、旋转反射镜位置探测器(20)、电机轴(21)、旋转反射镜转轴(22)、扫描部分外壳(23)、放大器(24)、自动增益控制电路(25)、滤波器(26)、检波器(27)、振荡器(28)、开关控制电路(29)、驱动电路(30)、放大处理电路(31)、扫描能量束(32)、反射能量束(33)。

具体实施方案

如图所示，自动测定两个物体间相对方向的系统包括微计算机系统1、向微计算机系统1提供信号的扫描位置探测模块3及能量接收处理模块4、反射能量接收通道8、再归反射跟踪器7、旋转扫描模块6、能量发射器5和能量发射控制模块2。能量发射控制模块2能控制能量发射器5对旋转扫描模块6发射能量，能量经过旋转扫描模块6后会形成在空间运动的扫描能量束32，当这个扫描能量束32照射到再归反射跟踪器7后，有一部分能量被再归反射跟踪器7原路反射回，形成反射能量束33，并通过反射能量接收通道8被处于反射能量接收通道8末端的凸透镜15聚焦于能量接收处理模块4，能量接收处理模块4将所接收到的能量的时间被微计算机系统1纪录；同时当能量通过旋转扫描模块6时会被扫描位置探测模块3探测到，并由扫描位置探测模块3将探测到的能量的位置信号反馈给能量发射控制模块2，并将数据记录于微计算机系统1。

所述的反射能量接收通道8由旋转反射镜12、固定反射镜9和凸透镜15组成，从再归反射跟踪器7反射回来的部分能量通过这条通道聚焦在能量接收处理模块4上。其中，旋转反射镜12对所述的能量具有高反射率。所述的扫描位置探测模块3由旋转反射镜位置指示片14和旋转反射镜位置探测器20组成。旋转反射镜位置探测器20可以是光续断器或霍尔元件，旋转反射镜位置指示片14可以是所述的能量遮挡、反射材料或磁性材料制成。所述的能量发射器5发出的能量可以是可见光、或者红外光、或者是紫外光、也可以是可见光激光、或者是红外光激光、或者是紫外光激光。

所述的旋转扫描模块6设有提供动力的扫描电机17、扫描电机17通过电机轴21、小皮带轮18、皮带19，带动大皮带轮11、旋转反射镜座13旋转，从而带动旋转反射镜12绕旋转反射镜转轴22旋转，该旋转反射镜12能反射所述的能量。固定反射镜9能透过能量发射器5发出的能量，同时能把从再归反射跟踪器7反射到旋转反射镜12的能量信号反射到凸透镜15上。固定反射镜9可以是部分反射能量、部分透射能量的镜片，也可以是中间有狭缝的、能反射能量的反射镜。射向再归反射跟踪器7所述的能量，能被再归反射跟踪器7原方向反射回去。再归反射跟踪器7每个基本单元可以由三片互相垂直的、能反射所述的能量的镜片组成，或由能反射所述的能量的微棱镜组成，或由能反射所述的能量的反射材料微珠组成。

如图所示，自动测定两个物体间相对方向的方法如下：

固定于所述系统的能量发射器5在能量发射控制模块2的控制下发出预先定义好形状的能量束，它的一部分透过固定角度的反射镜，照射到达旋转扫描模块6中的旋转反射镜12。旋转反射镜12在扫描电机17、小皮带轮18、皮带19，大皮带轮11、旋转反射镜座13的带动下匀速旋转。被旋转反射镜12反射的扫描能量束在旋转反射镜12前面的空间中进行扫描。由于扫描位置探测模块3在特定位置上会向微计算机系统1发出信号，微计算机系统1能精确计算出旋转反射镜12旋转一周所用的时间。当扫描能量束32扫描到再归反射跟踪器7时，再归反射跟踪器7会反射出反射能量束33，反射能量束33沿着原来扫描能量束32的方向反射回去，经过旋转反射镜12、固定角度反射镜9反射后，在凸透镜15后会聚到能量接收感应器16上。该能量信号被能量接收处理模块4处理后，输出到微计算机系统1。微计算机系统1把接收到信号的时间与旋转反射镜12旋转一周所需要的时间进行比较，就可以计算出再归反射跟踪器7相对于运动扫描模块6的角度。在垂直和水平方向都使用这样的装置和方法，就可以在空间中获得指向再归反射跟踪器7的方向。

Claims (7)

1、一种自动测定特定运动物体相对基准位置的方向的系统，包括一微计算机系统、向微计算机系统提供信号的扫描位置探测模块、能量接收处理模块、旋转扫描模块、能量发射器以及能量发射控制模块，其特征在于：

所述的能量发射控制模块(2)的输出端与能量发射器(5)连接，后者对旋转扫描模块(6)发射能量，形成在空间运动的扫描能量束(32)；

运动物体上具有再归反射跟踪器(7)，所述的扫描能量束(32)的一部分能量被再归反射跟踪器(7)原路反射回去，形成反射能量束(33)，它通过反射能量接收通道(8)达到其末端的凸透镜(15)，并聚焦于能量接收处理模块(4)中的能量接收感应器(16)；该能量接收感应器(16)通过有线连接将接收能量的时间记录于微计算机系统(1)；扫描位置探测模块(3)将探测到的能量的位置信号反馈给能量发射控制模块(2)和微计算机系统(1)；

所述的反射能量接收通道(8)包括一个对所述能量具有高反射率的旋转反射镜(12)、和一个固定反射镜(9)，以及一个凸透镜(15)，从再归反射跟踪器(7)反射回来的部分能量通过上述三镜所构成的通道聚焦在能量接收感应器(16)上。

2、按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的旋转扫描模块(6)包括安装在旋转反射镜转轴(22)上的旋转反射镜(12)和旋转反射镜座(13)，其驱动装置由扫描电机(17)、小皮带轮(18)、皮带(19)和大皮带轮(11)组成。

3、按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的再归反射跟踪器(7)的每个基本单元由能反射所述的能量的三片互相垂直的镜片、或微棱镜、或反射材料制成的微珠构成。

4、按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的扫描位置探测模块(3)由旋转反射镜位置指示片(14)和旋转反射镜位置探测器(20)构成；旋转反射镜位置探测器(20)是光续断器或者是霍尔元件；旋转反射镜位置指示片(14)是由能量遮挡、反射材料或者是由磁性材料构成。

5、按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的能量发射器(5)发出的能量是可见光、或者是红外光、或者是紫外光、或者是可见光激光、或者是红外光激光、或者是紫外光激光。

6、按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的固定反射镜(9)是一种能部分反射和部分透射能量的镜片；或者是中间具有狭缝的反射镜；固定反射镜(9)的平面和能量发射器(5)发射的能量束所成角度大于0度且小于90度。

7、一种自动测定特定运动物体相对基准位置方向的系统所采用的测定方向的方法，其步骤如下：

被固定于所述系统的能量发射器(5)在能量发射控制模块(2)的控制下发出预先定义好形状的能量束，它的一部分透过固定反射镜(9)，照射到达旋转扫描模块(6)中的旋转反射镜(12)；

安装在旋转反射镜转轴(22)上的旋转反射镜(12)和旋转反射镜座(13)在扫描电机(17)、小皮带轮(18)、皮带(19)和大皮带轮(11)的带动下匀速旋转；

旋转反射镜(12)反射的扫描能量束(32)在旋转反射镜(12)前面的空间中进行扫描；

扫描位置探测模块(3)在特定位置上向微计算机系统(1)发出信号，微计算机系统(1)精确计算出旋转反射镜(12)旋转一周所用的时间和旋转反射镜(12)在特定位置的时间；

当扫描能量束(32)扫描到再归反射跟踪器(7)时，再归反射跟踪器(7)反射出反射能量束(33)，反射能量束(33)沿着原来扫描能量束(32)的方向反射回去，在经过旋转反射镜(12)、固定反射镜(9)和凸透镜(15)之后，会聚到能量接收处理模块(4)中的能量接收感应器(16)上；

在能量信号被能量接收处理模块(4)处理之后，输出到微计算机系统(1)中，微计算机系统(1)把接收到信号的时间与旋转反射镜(12)旋转一周所需要的时间进行比较，计算出再归反射跟踪器(7)相对于运动扫描模块(6)的角度；

在垂直和水平方向同时使用这样的装置和方法，就可以在空间中获得指向再归反射跟踪器(7)的方向。

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