CN102353329A - 模拟试验场地非接触三维坐标测量方法及所用的装置 - Google Patents

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李建桥
刘庆平
李因武
樊世超
何玲
杨艳静
邹猛
张锐
王洋
李豪
范文峰
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Abstract

本发明公开了一种拟试验场地非接触三维坐标测量方法及所用的装置，该方法利用三台激光测距仪分别测量三个已知点到被测点的距离，测量数据输入给中央处理器CPU，由中央处理器CPU计算出被测点的三维坐标，通过测量各种几何形貌的特征点坐标，中央处理器CPU计算出被测表面形貌的几何参数；如通过测量坡面上不在同一条直线的三个点的三维坐标，中央处理器CPU计算出坡面的角度；通过测量圆周上三个点的坐标，确定圆心坐标；所用的装置是由三台激光测距仪、三个电动云台、三个支架和中央处理器CPU组成，激光测距仪通过电动云台设置在支架上，三台激光测距仪测量的三个已知点到被测点的距离数据输入给中央处理器CPU；本发明测量精度高，测量速度快，成本低。

Description

模拟试验场地非接触三维坐标测量方法及所用的装置
技术领域
本发明属于测绘学领域，具体涉及到一种用于地面机械模拟试验内场地表面形貌的测量方法及装置。
背景技术
登月用的地面机械涉及到触土部件与土壤的运动学及动力学关系，为了研究分析触土部件的性能，优化其参数，需要在模拟试验场内进行模拟试验。模拟试验场地由各种成分的土壤构成，根据需要将场地内的土壤整备成各种形貌。形貌整备过程中需要测量形貌特征点的几何参数，整备完成后需要检验形貌几何参数的确定性，这些工作都需要精确快速的测量方法与装置。试验场地内的模拟土壤是易变形状态，与其表面的任何接触都会破坏其原有的力学性能。因此对模拟月壤表面形貌的测量，必须采用非接触式测量技术。激光测距仪是新型的非接触式测量仪器，具有精度高、效率高、操作方便的特点。然而单台激光测距仪只能完成两点间距离的测量，无法测量点的三维坐标。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以快速准确地完成试验场地表面特征点的非接触三维坐标测量的模拟试验场地非接触三维坐标测量方法。
本发明的另一目的是提供一种拟试验场地非接触三维坐标测量方法所用的装置。
本发明的原理是：通过测量已知坐标的空间三点到被测量点的距离，计算出被测点的三维坐标。
如图1所示，图中设PA＝LA；PB＝LB；PC＝LC分别为激光测距仪测得的对应感光点至被测点长度，设A点为坐标原点，A、B、C高度相同(Z1＝Z2＝Z3＝H)。已知坐标：A(00H)，B(XB YB H)，C(XC YC H)，求被测P(X、Y、Z)点坐标，X、Y、Z。
根据空间距离计算公式可得空间点P的位置坐标为：
X＝(XB 2+YB 2+LA 2-LB 2)/2XB-(XCYBLB 2-XCYBLA 2-XB 2XCYB-XCYB 3+XBXC 2YB+XBYBYC 2+XBYBLA 2-XBYBLC 2)/(2XB 2YC-2XBYBXC)
Y＝(XCLB 2-XCLA 2-XCXB 2-XCYB 2+XBXC 2+XBYC 2-XBLC 2+XBLA 2)/(2XBYC-2YBXC)
Z根据被测点位置有两个解：
Z＝H+E(P高于激光测距仪高度)或Z＝H-E(P低于激光测距仪高度)
其中，
E＝[LA 2-(XB 4+XB 2YB 2+YB 4+2XB 2LA 2+2YB 2LA 2-2XB 2LB 2-2YB 2LB 2+LA 4-2LA 2LB 2+LB 4)/4XB 2+[XCYB(LB 2-LA 2-XB 2-YB 2)(XB 2+YB 2+LA 2-LB 2)+XBYB(XC 2+YC 2+LA 2-LC 2)(XB 2+YB 2+LA 2-LB 2)]/(2XB 3YC-2XB 2YBXC)-(XCYBLB 2-XCYBLA 2-XCYBXB 2-XCYBYB 2+XBYBXC 2+XBYBYC 2+XBYBLA 2-XBYBLC 2)2/4/(XB 2YC-XBYBXC)2-(XCLB 2-XCLA 2-XCXB 2-XCYB 2+XBXC 2+XBYC 2+XBLA 2-XBLC 2)2/4/(XBYC-YBXC)2]0.5。
本发明之模拟试验场地非接触三维坐标测量方法是：利用三台激光测距仪分别测量三个已知点到被测点的距离，三个已知点到被测点的距离数据输入给中央处理器CPU，由中央处理器CPU计算出被测点的三维坐标，通过测量各种几何形貌的特征点坐标，中央处理器CPU计算出被测表面形貌的几何参数。如通过测量坡面上不在同一条直线的三个点的三维坐标，中央处理器CPU计算出坡面的角度；通过测量圆周上三个点的坐标，确定圆心坐标。
本发明之模拟试验场地非接触三维坐标测量方法所用的装置是由三台激光测距仪、三个电动云台、三个支架和中央处理器CPU组成，激光测距仪通过电动云台设置在支架上，电动云台由中央处理器CPU控制运动，三台激光测距仪测量的三个已知点到被测点的距离数据输入给中央处理器CPU，由中央处理器CPU计算出被测点的三维坐标，通过测量各种几何形貌的特征点坐标，中央处理器CPU计算出被测表面形貌的几何参数。如通过测量坡面上不在同一条直线的三个点的三维坐标，中央处理器CPU计算出坡面的角度；通过测量圆周上三个点的坐标，确定圆心坐标，通过给定某点的三维坐标，输入中央处理器计算后，由CPU控制云台运动，找到相应的点。
本发明的有益效果是：本发明运用三台激光测距仪的组合测量，实现了对模拟试验场地表面特征点三维坐标的测量，进而通过中央处理器CPU计算出场地表面形貌参数；相比较拍照法表面形貌非接触测量方法，本发明测量精度高，测量速度快，成本低。本发明还可应用在其他不宜或难于接触物体的几何特征的测量，如桥梁绕度、高楼及铁塔摆度等难于接触物体几何变动量的测量。
附图说明
图1是本发明之测量方法的原理示意图。
图2是本发明之测量方法所用装置的结构示意图。
图3是本发明之测量方法的第一实施例示意图。
图4是本发明之测量方法的第二实施例示意图。
图5是本发明之测量方法的第三实施例示意图。
具体实施方式
如图2所示，在试验场地设定位置处设置三台激光测距仪1，激光测距仪1通过电动云台安装在支架2上，电动云台由中央处理器CPU控制运动，旋转支架2上的电动云台，可以调整激光测距仪1的测量角度，使三个测距仪1测量出被测点到激光发射点的距离。配合图1所示，由于三个激光发射点的三维坐标是已知的，从而通过三点到被测点的距离，由中央处理器CPU计算出被测点P的坐标。三个激光测距仪1的位置是按照测量方便任意设置的，激光测距仪1的位置设定后，在中央处理器CPU中输入三个激光测距仪1发射点的三维坐标，中央处理器CPU可以根据输入的坐标进行自动修正。中央处理器CPU中可以定义三个测量点的坐标，可以定义激光测距仪类型。
实施例1：
如图3所示，被测场地为直径30m的圆形，选用最大测距为30m的激光测距仪三台，A、B、C三台激光测距仪平面坐标分别为：(0，0，4.2；0，50，4.2；50，0，4.2；单位：m)，激光发射点距离地面高度为4.2m。
实施例2：
如图4所示，被测场地为半径35m×35m的正方形，选用最大测距为50m的激光测距仪三台，三台激光测距仪的位置分别位于A、B、C三点，A、B、C三点的坐标分别为：(0，0，7；38，0，7；50，0，7；单位：m)。
实施例3：
如图5所示，被测场地为长30m宽2m的长方形土槽，选用最大测距为40m的激光测距仪三台，三台激光测距仪坐标分别为：(0，0，，1；33，0，1；0，5，1；单位：m)，激光发射点距离地面高度为1m。

Claims (2)

1.一种模拟试验场地非接触三维坐标测量方法，该方法是：利用三台激光测距仪分别测量三个已知点到被测点的距离，三个已知点到被测点的距离数据输入给中央处理器CPU，由中央处理器CPU计算出被测点的三维坐标，通过测量各种几何形貌的特征点坐标，中央处理器CPU计算出被测表面形貌的几何参数。
2.一种模拟试验场地非接触三维坐标测量方法所用的装置，其特征在于：是由三台激光测距仪、三个电动云台、三个支架和中央处理器CPU组成，激光测距仪通过电动云台设置在支架上，电动云台由中央处理器CPU控制运动，三台激光测距仪测量的三个已知点到被测点的距离数据输入给中央处理器CPU，由中央处理器CPU计算出被测点的三维坐标，通过测量各种几何形貌的特征点坐标，中央处理器CPU计算出被测表面形貌的几何参数。
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