CN101881597B - 多层线阵激光光斑位置识别系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多层线阵激光光斑位置识别系统及检测方法，由线激光发射器和探测装置组成，其中探测装置包括激光探测器、后续电路、单片机、显示器、输出接口和电源。根据精度和长度要求，把一定数量的激光探测器以一定的间隔均匀排列安装成一线形阵列作为一层，并列制作多层作为一块，多块拼接成探测装置。与探测装置构成需要的一定位置关系的线激光发射器发射扇形激光束，由激光探测器感应并产生电信号，信号经后续电路和单片机处理计算，可识别出光斑中心处的激光探测器，进而得知光斑在激光探测器排列方向上的位置。位置信息数据既可直接在显示器上显示，也可通过输出接口输出用于其它设备。

Description

多层线阵激光光斑位置识别系统及检测方法

技术领域

本发明涉及测量定位领域一种位置识别系统，特别涉及一种激光探测识别系统领域的多层线阵激光光斑位置识别系统。

背景技术

测量定位技术与人类的实践活动密不可分，同时也随着社会的进步而不断发展和变革。

20世纪50年代以来，测量定位技术开始朝着电子化和自动化方向发展。随着各种光源如激光、红外光等的相继出现，物理测距技术也得到了迅速的发展，出现了以激光、红外光和其它光源为载波的光波测距仪和以微波为载波的微波测距仪，电磁波测距仪的出现是测距方法的革命，开创了距离测量的新纪元。与传统的钢尺或基线尺的测量方法相比，它具有精度高、作业迅速、受气候、地形影响小等优点。大约与此同时，出现了电子技术与计算机技术，并很快被应用于测量学中，这不仅加快了测量计算的速度，而且还改变了测量仪器和方法，使测量定位工作更为方便和精确，随后，相继发展起来的空间技术、卫星遥感技术等也在测量定位领域广泛应用。各种测量定位技术的出现与应用，极大地扩大了测量定位领域，但是人们所掌握的测量定位技术相对于纷繁复杂、变化多端的自然环境仍具有种种局限性，新型的并能应用于特殊环境的测量定位技术一直是人们迫切的需要。

目前具备在三维空间中进行一维度的精确识别定位的技术有全站仪和卫星遥感技术。全站仪通过发射激光经过棱镜反射，再对发射回来的激光信号进行接收、处理和计算，对空间物体进行识别定位；卫星遥感技术通过卫星定位，来确定物体的位置。上述两种技术虽然理论上可以完成三维空间中任一维度的识别定位，但由于调节难度大、对工作人员要求较高、成本较高等缺点，而且由于仪器的精密性，易受恶劣环境的影响，具体实施有相当的困难。

本发明结合光学、电子和计算机技术，主要致力于解决在三维空间中进行一维度的精确识别定位的问题，并特别适合于黑暗等恶劣环境和长距离无接触的状况。

鉴于以上所述情况，本发明人经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有的测量定位技术存调节难度大、对工作人员要求较高、成本较高等缺点，而且由于仪器的精密性，易受恶劣环境的影响，具体实施有相当的困难的缺陷，提供一种新的多层线阵激光光斑位置识别系统及检测方法，使用激光作为传播介质，利用光学、电子和计算机知识，进行无接触的测量定位，克服传统的测量定位方式的劳动强度大、作业时间长和受工作环境影响大等局限性，为测量定位技术开辟更宽更特殊的应用环境和领域。

本发明的主要目的还在于，克服现有的测量定位技术存在的缺陷，而提出一种掘进机机身位姿参数测量系统及其方法，其利用多层线阵排列激光探测器的方式，在三维空间中进行一维度的精确识别定位。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的多层线阵激光光斑位置识别系统，包括线激光发射器和探测装置，其中探测装置包括激光探测器、后续电路、单片机、显示器、输出接口和电源，其中，激光探测器通过后继电路与单片机相接，该单片机分别与显示器和输出口相接。根据精度和长度要求，把多个激光探测器以5毫米的间隔均匀排列安装成一线形阵列作为一层，并列制作多层作为一块，多块拼接成探测装置。布置安装线激光发射器，使其与探测装置构成需要的某种位置关系，可多个线激光发射器和探测装置结合使用。线激光发射器发射照射到探测装置上的光斑，由激光探测器感应并产生电信号，信号经后续电路和单片机处理计算，可识别出产生感应的激光探测器，进而得知光斑在激光探测器排列方向上的位置。位置信息数据既可直接在显示器上显示，也可通过输出接口输出用于其它设备。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的多层线阵激光光斑位置识别系统，其中所述的线激光发射器发出扇形激光束，在探测装置上形成线形光斑，激光束有效照明距离为130米。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的多层线阵激光光斑位置识别系统，其中所述的探测装置由并列多层线性阵列制作成一块，多块拼接成，即形式上是整个探测装置分块，每一块上都有激光探测器和电路板，块跟块连接很紧密，并且电路板也是连续的，能自动对各块电路板故障检查，并且能根据需要进行拼装和拆卸。

前述的多层线阵激光光斑位置识别系统，其中所述的单片机还包括寄存器和定时器。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的多层线阵激光光斑位置识别系统，其中所述的探测装置由多激光探测器以一定的5毫米间隔均匀排列多层，同一层上的每个激光探测器都有对应的唯一的逻辑编号，同一列的三个激光探测器在一条线上且逻辑编号相同。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的多层线阵激光光斑位置识别系统，其中所述的探测装置的分辨误差小于5毫米，由于激光探测器之间的间隔距离为5毫米，即同一层上相邻的两个激光探测器感光面中心之间的距离为5毫米，当光斑每移动5毫米，光斑一边的一个激光探测器就会由感光状态变成无感光状态，而光斑另一边的一个激光探测器则会由无感光状态变成感光状态。因此，探测装置对光斑位置的分辨误差小于5毫米。

前述的多层线阵激光光斑位置识别系统，其中所述的线激光发射器和探测装置以两个或多个结合使用，用来满足不同的测量需要。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的多层线阵激光光斑位置识别系统的检测方法，包括如下步骤：

(1)确定位置关系

根据测量定位需要，设计线激光发射器和探测装置的位置关系；

(2)搭建安装系统

定位固定线激光发射器，将探测装置放置在设计的位置处；

(3)启动探测装置

探测装置会自动对各块电路板的通信电路进行故障检查，若某个激光探测器有损坏，则会有表示这个激光探测器所在电路板运行状态的块选指示灯发光警告，观察块选指示灯，亮了，就只需维修或更换该处所在的电路板即可；若指示灯都没亮，装置可正常运行；

(4)启动线激光发射器

激光束在探测装置上形成线形光斑；

(5)多层线阵激光光斑位置识别系统运行

探测装置)感应并识别光斑的位置，显示器对位置数据进行显示，并随着探测装置的移动而变化，同时，数据接口进行位置数据的输出。

前述的多层线阵激光光斑位置识别系统的检测方法，其中所述的激光探测器通过对光强、光波长和光入射角度的选择，具有抗干扰功能。激光探测器对光强的选择：当光强小于30勒克斯时，激光探测器不感应产生电流，此时处于关闭状态；当光强大于30勒克斯时，激光探测器感应产生电流，并随着光强的增大，电流增大，当电流增大到16毫安时就会保持这个值而不再增大，在这个过程中，激光探测器为打开状态。激光探测器对光波长的选择：激光探测器只对500到1100纳米波长范围的光束有敏感度，并且在这个范围内光波长与敏感度程抛物关系；激光探测器对光入射角度的选择：激光探测器感光面为一平面，光束垂直照射到该平面时入射角为0，随着入射角从0到30度变化时，激光探测器对光斑的敏感度缓慢降低，入射角由30到60度时，敏感度急剧降低，入射角大于60度后，敏感度几乎为0，这样入射角大于60度的干扰光就不会被感应。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的多层线阵激光光斑位置识别系统的检测方法，其中所述的探测装置可精确识别经长距离传播具有一定宽度的线形激光光斑，当单层中多个激光探测器被照射到时，若为奇数个激光探测器被照到，利用单片机采集计算，取中间的激光探测器作为光斑位置；若为偶数个激光探测器被照到，利用单片机采集计算，取中间偏左的激光探测器作为光斑位置。这样，既保证了系统的识别精度，也可以允许线激光发射器激光束的宽度更大一些。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的多层线阵激光光斑位置识别系统的检测方法，其中所述的探测装置具有数据保持功能，以保证所需的数据采集时间和数据稳定性。由于使用的激光探测器较多，需要相应一定的采集时间，为了保证充分地采集数据，系统设计提供了数据保持功能，利用存储器件把一次的数据保存一定的时间，然后再替换保存当前下一次的数据；另外，数据保持功能可以防止因探测装置的抖动而产生的数据干扰，保证数据的稳定性。

本发明多层线阵激光光斑位置识别系统与现有技术相比，具有明显的优点与有益效果。借由上述技术方案，本发明提供的多层线阵激光光斑位置识别系统及检测方法，可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：

(1)本发明多层线阵激光光斑位置识别系统及检测方法，即使用激光作为传播介质，利用光学和电子技术进行测量定位的方法。

(2)本发明多层线阵激光光斑位置识别系统及检测方法，利用由激光探测器排成一线形阵列来感应激光束，每个激光探测器传出的信号承载了一个位置信息，信号由单片机处理得出位置数据。这种方法具有精度高的优点，探测装置对激光光斑位置识别误差小于5毫米。

(3)本发明多层线阵激光光斑位置识别系统及检测方法，利用线激光发射器发射激光的方法，由于激光的发散性较小，使得本系统具有130米的测量定位能力。

(4)本发明多层线阵激光光斑位置识别系统及检测方法，使用多层线阵的形式，增加了激光探测器的冗余度，从而极大地提高了测量装置系统的稳定性。

(5)本发明多层线阵激光光斑位置识别系统及检测方法，探测装置采用分块制作的形式，使探测装置电路系统更加精简，同时使系统的修理维护更加容易。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

图1是本发明系统图；

图2是本发明结构组成示意图；

图3A是本发明探测装置示意图；

图3B是本发明复合使用示意图；

图中：

1：线激光发射器        2：探测装置

3：激光探测器          4：显示器

5：块选指示灯          6：单片机

7：电源                8：输出接口

9：后续电路

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的多层线阵激光光斑位置识别系统及检测方法的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

实施例1

本发明较佳第一实施例的多层线阵激光光斑位置识别系统及检测方法，如图1、图2、图3所示，由线激光发射器1和探测装置2组成，其中探测装置包括激光探测器3、后续电路9、单片机6、显示器4、输出接口8和电源7。该系统利用激光探测识别技术，通过对激光光斑的位置识别而与线激光发射器建立位置对应关系，可以实现以激光为媒介的远距离物体一维位置识别。

如图1-2所示，所述的线激光发射器1发射扇形激光束，扇面角度可以根据需要设计制作，扇形激光束照到物体上形成的是一条具有较小宽度的线形光斑，激光束有效照明距离为130米。由于线激光发射器1的光斑在长度方向上覆盖距离较大，而在宽度方向上覆盖距离极小，因而，用于多层线阵激光光斑位置识别系统及检测方法中，使得探测装置2可以在三维空间中进行一个维度的识别。

如图1-3A所示，所述的探测装置2是多层线阵激光光斑位置识别系统及检测方法的主要组成部分，并且是整个系统的核心。该探测装置2主要由激光探测器3、后续电路9、单片机6、显示器4、输出接口8和电源7组成，其中，激光探测器3通过后继电路9与单片机6相接，该单片机6分别与显示器4和输出口8相接。完成对激光光斑的感应、位置识别、数据显示和数据存储输出等功能。探测装置2采取以下技术手段加工制作：

以5毫米的间隔距离排列安装激光探测器3，根据探测装置2的设计长度决定激光探测器3的数量，安装完成后，每个激光探测器3即具有了唯一的逻辑编号，而激光探测器3的排列方向即为识别位置的方向。由于激光探测器3之间的间隔距离为5毫米，即同一排上相邻的两个激光探测器3感光面中心之间的距离为5毫米，当光斑每移动5毫米，光斑一边的一个激光探测器3就会由感光状态变成无感光状态，而光斑另一边的一个激光探测器3则会由无感光状态变成感光状态。因此，探测装置2对光斑位置的分辨误差小于5毫米。

把一排激光探测器3看作线阵探测系统的一层，以相同的方法安装制作三层激光探测器3，而每层激光探测器3都独立于另外两层。每一列包括三个互相独立的激光探测器3，具有相同的逻辑编号，代表同一个坐标位置，三个激光探测器3中任何一个感应激光都会产生这一列的坐标信号。利用这种技术手段保证了探测装置2的高度稳定性能，使得整个系统不会因为某些激光探测器3的损坏而出现故障。

由装有按一定规律排列的激光探测器的一块主电路板和若干块子电路板拼装组成，每块子电路板具有相同的结构和特性，探测装置自动对各块电路板故障检查，当探测装置某处出现故障时，只需维修或更换该处所在的电路板即可，由于电路板的结构特点，使得探测装置的加工制作和维修极为方便。由激光探测器感应激光束产生电信号，后续电路和单片机用于处理计算电信号，最后得知光斑中心的位置。显示器和输出接口用于对位置数据的显示和输出。

线激光发射器1和探测装置2的位置关系可根据需要设计确定，但需满足探测装置2在线激光发射器1的照射范围之内，且需保证在激光探测器3排列方向与激光光斑相交并在激光探测器3感光面上的入射角为敏感角度。本实施例为，固定线激光发射器1，在照射距离范围内并满足其它操作要求下移动探测装置2，在移动过程中，进行对激光光斑位置的识别。

启动时探测装置2会自动对各块电路板故障检查，若某个激光探测器3有损坏，则会有表示这个激光探测器3所在电路板运行状态的块选指示灯5发光警告，这样就只需维修或更换该处所在的电路板即可，由于这种结构特点，使得探测装置2的修理维护甚为方便。系统运行后，当某一列激光探测器3被照到，激光探测器3产生电信号，利用单片机6采集计算，可得知这一列激光探测器3的位置坐标；当多列激光探测器3被照射到时，若为奇数个激光探测器3被照到，利用单片机6采集计算，取中间的激光探测器3作为光斑位置，若为偶数个激光探测器3被照到，利用单片机6采集计算，取中间偏左的激光探测器3作为光斑位置。这样，既保证了系统的识别精度，也可以允许线激光发射器1激光束的宽度更大一些。

当光强小于30克勒斯值时，激光探测器3不感应产生电流，此时处于关闭状态；当光强大于30克勒斯这个值时，激光探测器3感应产生电流，并随着光强的增大，电流增大，当电流增大到16毫安值时就会保持这个值而不再增大，在这个过程中，激光探测器3为打开状态。激光探测器3只对一定波长范围的光束有敏感度，并且在这个范围内光波长与敏感度程抛物关系；

激光探测器3感光面为一平面，光束垂直照射到该平面时入射角为0，随着入射角从0到30度变化时，激光探测器3对光斑的敏感度缓慢降低，入射角由30到60度时，敏感度急剧降低，入射角大于60度后，敏感度几乎为0，这样入射角大于60度的干扰光就不会被感应。

由于使用的激光探测器3较多，需要相应一定的采集时间，为了保证充分地采集数据，系统设计提供了数据保持功能，利用存储器件把一次的数据保存一定的时间，然后再替换保存当前下一次的数据；另外，数据保持功能可以防止因探测装置2的抖动而产生的数据干扰，保证数据的稳定性。

多层线阵激光光斑位置识别系统的检测方法的实施步骤为：

(1)根据测量定位需要，设计线激光发射器1和探测装置2的位置关系；

(2)搭建安装系统，即固定线激光发射器1，把探测装置2放置在设计的位置处；

(3)启动探测装置2，观察块选指示灯5，若指示灯都没亮，装置可正常运行；若有指示灯亮，说明对应电路板上某个或某几个激光探测器3出现了损坏，然后根据需要进行维修或更换。

(4)启动线激光发射器1，激光束在探测装置2上形成线形光斑；

(5)系统运行，探测装置2感应并识别光斑的位置，显示器4对位置数据进行显示，并随着探测装置2的移动而变化，同时，数据接口可以进行位置数据的输出。

(6)与探测装置构成需要的某种位置关系的线激光发射器1发射扇形激光束，由激光探测器3感应并产生电信号，信号经后续电路9和单片机6处理计算，当单层中多个激光探测器3被照到时，若为奇数个，取中间的激光探测器3作为光斑位置；若为偶数个，取中间偏左的激光探测器3作为光斑位置，进而得知光斑在激光探测器3排列方向上的位置。

实施例2

参阅图3B所示，本发明较佳第二实施例的多层线阵激光光斑位置识别系统及检测方法，采用一个线激光发射器1和两个探测装置2结合使用，其它结构和检测方法同实施例1。

上述如此结构构成的本发明掘进机机身位姿参数测量系统及其方法的技术创新，对于现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种多层线阵激光光斑位置识别系统，其特征在于：包括线激光发射器(1)和探测装置(2)，其中，

——线激光发射器(1)，该线激光发射器(1)发出扇形激光束，以在探测装置(2)上形成与激光探测器阵列相交的线形光斑；

——探测装置(2)，用于感应激光束并识别激光束的照射位置，最后显示出照射位置，且可存储该数据并输出至其它设备，该探测装置(2)包括：

——激光探测器阵列，由多个激光探测器(3)以5毫米的间隔排列安装成一线形阵列作为一层，需并列制作多层，安装成多层线形阵列形式，用于感应激光束并产生电信号；

——后续电路(9)和单片机(6)，用于处理激光探测器(3)产生的电信号，计算得到光斑在激光探测器(3)排列方向上的位置；

——显示器(4)，用于显示激光光斑位置数据；

——输出接口(8)，用于把激光光斑位置数据传输至其它设备；

其中，激光探测器(3)通过后续电路(9)与单片机(6)相接，该单片机(6)分别与显示器(4)和输出接口(8)相接。

其中所述的探测装置(2)由并列多层线形阵列制作成一块，多块拼接成，即形式上是整个探测装置分块，每一块上都有激光探测器(3)和电路板，块跟块连接很紧密，并且电路板也是连续的，能自动对各块电路板故障检查，并且能根据需要进行拼装和拆卸。

2.根据权利要求1所述的多层线阵激光光斑位置识别系统，其特征在于其中所述的线激光发射器(1)发出的激光束有效照明距离为130米。

3.根据权利要求1-2中任意一项所述的多层线阵激光光斑位置识别系统，其特征在于其中所述的多层激光探测器(3)，同一层上的每个激光探测器(3)都有对应的唯一的逻辑编号，同一列的多个激光探测器(3)在一条线上且逻辑编号相同。

4.根据权利要求3所述的多层线阵激光光斑位置识别系统，其特征在于其中所述的探测装置(2)对激光光斑位置识别误差小于5mm。

5.根据权利要求4所述的多层线阵激光光斑位置识别系统，其特征在于其中所述的线激光发射器(1)和探测装置(2)以两个或多个结合使用，用来满足不同的测量需要。

6.根据权利要求1所述的多层线阵激光光斑位置识别系统的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)确定位置关系

根据测量定位需要，设计线激光发射器(1)和探测装置(2)的位置关系；

(2)搭建安装系统

定位固定线激光发射器(1)，将探测装置(2)放置在设计的位置处；

(3)启动探测装置

探测装置(2)会自动对各块电路板的通信电路进行故障检查，若某个激光探测器(3)有损坏，则会有表示这个激光探测器(3)所在电路板运行状态的块选指示灯(5)发光警告，观察块选指示灯(5)，亮了，就只需维修或更换该处所在的电路板即可；

若指示灯都没亮，装置可正常运行；

(4)启动线激光发射器

激光束在探测装置(2)上形成线形光斑；

(5)多层线阵激光光斑位置识别系统运行

探测装置(2)感应并识别光斑的位置，显示器(4)对位置数据进行显示，并随着探测装置(2)的移动而变化，同时，输出接口(8)进行位置数据的输出。

7.根据权利要求6所述多层线阵激光光斑位置识别系统的检测方法，其特征在于所述的探测装置(2)能精确识别经长距离传播具有一定宽度的线形激光光斑，与探测装置(2)构成需要的一定位置关系的线激光发射器(3)发射扇形激光束，由激光探测器(3)感应并产生电信号，信号经后续电路(9)和单片机(6)处理计算，当单层中多个激光探测器(3)被照射到时，若为奇数个，取中间的激光探测器作为光斑位置；若为偶数个，取中间偏左的激光探测器作为光斑位置，进而得知光斑在激光探测器排列方向上的位置；该位置信息数据既可直接在显示器(4)上显示，也可通过输出接口(8)输出用于其它设备。

8.根据权利要求6所述的多层线阵激光光斑位置识别系统的检测方法，其特征在于其中所述的激光探测器(3)对光强的选择是当光强小于30勒克斯时，激光探测器(3)不感应产生电流，此时处于关闭状态；当光强大于30勒克斯时，激光探测器感应产生电流，并随着光强的增大，电流增大，当电流增大到16毫安时就会保持这个值而不再增大，在这个过程中，激光探测器(3)为打开状态；

所述的激光探测器(3)对光波长的选择是激光探测器(3)只对500到1100纳米波长范围的光束有敏感度，并且在这个范围内光波长与敏感度成抛物关系；

激光探测器(3)对光入射角度的选择是激光探测器(3)感光面为一平面，光束垂直照射到该平面时入射角为0，随着入射角从0到30度变化时，激光探测器(3)对光斑的敏感度缓慢降低，入射角由30到60度时，敏感度急剧降低，入射角大于60度后，敏感度几乎为0，这样入射角大于60度的干扰光就不会被感应。

9.根据权利要求6所述的多层线阵激光光斑位置识别系统的检测方法，其特征在于其中所述的探测装置(2)通过寄存器和定时器来保存数据和设定保存时间，寄存器和定时器把一次的数据保存一定的时间，然后再替换保存当前下一次的数据，以保证所需的数据采集时间；另外，该数据保持功能可以防止因探测装置(2)的抖动而产生的数据干扰，保证数据的稳定性。

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