CN102636774A - 一种基于光电扫描与超声测距的全站式空间测量定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光电扫描与超声测距的全站式空间测量定位方法，属于工业现场大尺寸三维坐标测量技术领域，构建发射基站和接收器；标定所述超声波发射模块在所述发射基站上的位置；标定所述第一超声接收模块和所述第二超声接收模块在所述接收器上的位置；通过光电扫描法测量所述光电二极管的水平角α和俯仰角β；通过超声测距法测量所述第一超声接收模块与所述超声发射模块之间的距离，所述第二超声接收模块与所述超声发射模块之间的距离；计算所述光电二极管的空间坐标。本发明实现了在某些特定的工作环境下只使用单台发射基站的全站式空间测量定位，测量原理简单，满足了实际应用中的多种需要。

Description

一种基于光电扫描与超声测距的全站式空间测量定位方法

技术领域

本发明属于工业现场大尺寸三维坐标测量技术领域，特别涉及一种基于光电扫描与超声测距的全站式空间测量定位方法。

背景技术

目前工业现场大尺寸三维坐标测量系统(例如：经纬仪和iGPS等)一般都采用多站交汇式测量方法，多站交汇式测量由分布在测量空间内的多台基站同时测量被测点相对自身的空间角度，再结合基站间的位置关系才能解算出被测点的三维坐标。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下的缺点和不足：

传统的多站交汇式测量方法测量精度高，但工作原理比较复杂，要求的现场条件比较苛刻。在某些特定的工作环境下，例如：当机器人导航时，由于现场环境无法摆放多台发射基站或不允许多台发射基站同时工作，从而导致无法正常运行。

发明内容

本发明提供了一种基于光电扫描与超声测距的全站式空间测量定位方法，本发明实现了在某些特定的工作环境下的全站式空间测量定位，测量原理简单，详见下文描述：

一种基于光电扫描与超声测距的全站式空间测量定位方法，所述方法包括以下步骤：

(1)构建发射基站和接收器；

其中，所述发射基站包括：发射扫描激光的旋转平台、发射同步脉冲激光的脉冲激光器、发射超声波的超声波发射模块、固定基座、发射基站外壳；

所述发射基站外壳设置在所述固定基座上，所述脉冲激光器与所述超声波发射模块位于以所述旋转平台的转轴为中心的所述发射基站外壳上，所述旋转平台旋转，发射所述扫描激光，所述旋转平台每旋转一周触发一次所述同步脉冲激光，且同时触发一束预设频率的所述超声波；

其中，所述接收器包括：第一超声接收模块、光电二极管和第二超声接收模块，

所述第一超声接收模块、所述光电二极管和所述第二超声接收模块位于同一直线上，所述第一超声接收模块和所述第二超声接收模块分别位于所述光电二极管的两侧，所述光电二极管接收所述扫描激光和所述同步脉冲激光，用于解算所述光电二极管的空间角度关系；所述第一超声接收模块和所述第二超声接收模块接收所述超声波，用于解算所述光电二极管与所述发射基站的距离；

(2)标定所述超声波发射模块在所述发射基站上的位置；

(3)标定所述第一超声接收模块和所述第二超声接收模块在所述接收器上的位置；

(4)通过光电扫描法测量所述光电二极管的水平角α和俯仰角β，其中，所述光电二极管在XOY平面上的投影为P′，则OP′与X轴所成夹角为所述水平角α，OP与OP′所成夹角为所述俯仰角β，其中，X轴为码盘读数头方向，O为一个扫描激光平面与所述转轴的交点，作为坐标原点；采用右手系确定Y轴；

(5)通过超声测距法测量所述第一超声接收模块与所述超声发射模块之间的距离d₁′，所述第二超声接收模块与所述超声发射模块之间的距离d₂′；

(6)计算所述光电二极管的空间坐标。

所述标定所述超声波发射模块在所述发射基站上的位置具体包括：

利用激光跟踪仪或经纬仪标出所述超声波发射模块的位置(α_s，β_s，r_s)，其中(α_s，β_s)为所述超声波发射模块的空间角度，做所述超声波发射模块在所述XOY平面的投影s′，则α_s为OS′与X轴的夹角，β_s为OS与OS′的夹角，r_s为所述超声波发射模块与所述坐标原点O的距离。

所述标定所述第一超声接收模块和所述第二超声接收模块在所述接收器上的位置具体包括：

所述第一超声接收模块和所述第二超声接收模块与所述光电二极管处于同一直线上，并垂直于所述接收器的轴线，利用影像测量仪标定出所述第一超声接收模块与所述光电二极管的距离r₁，所述第二超声接收模块与所述光电二极管的距离r₂。

所述计算光电二极管的空间坐标具体包括：

假设∠SQ₂Q₁＝γ，则根据余弦定理有

$\cos \mathrm{\γ}=\frac{d_2^{\′2}+{(r_1+r_2)}^2-{d_1}^{\′2}}{{2d}_2^{\′}(r_1+r_2)}=\frac{{d_2}^{\′2}+{r_2}^2-d^{\′2}}{{2d}_2^{\′}{r}_2}$

其中，S为所述超声发射模块，Q₁为所述第一超声接收模块、Q₂为所述第二超声接收模块，d′为所述超声发射模块与所述光电二极管之间的距离；P为所述光电二极管；假设∠SOP＝σ，在OP与OS上各取一个距所述坐标原点O距离为单位1的点P₁和S₁，则P₁和S₁的坐标分别为

(cosβcosα，cosβsinα，sinβ)和(cosβ_scosα_s，cosβ_ssinα_s，sinβ_s)，则根据余弦定理有：

$\cos \mathrm{\σ}=\frac{2-[{(\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}-\cos {\mathrm{\β}}_s\cos {\mathrm{\α}}_s)}^2+{(\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}-\cos {\mathrm{\β}}_s\sin {\mathrm{\α}}_s)}^2+{(\sin \mathrm{\β}-{\sin \mathrm{\β}}_s)}^2]}{2}=\frac{{r_s}^2+d^2-d^{\′2}}{2r_{s}d}$

则所述光电二极管的三维坐标为d(cosβcosα，cosβsinα，sinβ)，d为所述坐标原点O与所述光电二极管之间的距离。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明提供了一种基于光电扫描与超声测距的全站式空间测量定位方法，本方法只使用单台发射基站工作，在发射基站触发同步激光脉冲的同时发出特定频率的超声波，接收器接收到同步激光脉冲时开始计时，以测量超声波的传播时间，乘以环境声速即可测得光电二极管到发射基站之间的距离，就可以通过光电二极管的空间角度关系以及与发射基站间的距离确定光电二极管的三维坐标，实现了在某些特定的工作环境下只使用单台发射基站的全站式空间测量定位，测量原理简单，满足了实际应用中的多种需要。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于光电扫描与超声测距的全站式空间测量定位方法的流程图；

图2为本发明提供的发射基站的结构示意图；

图3为本发明提供的接收器的结构示意图；

图4为本发明提供的发射基站和接收器的工作示意图；

图5为本发明提供的接收器坐标解算示意图。

附图中所列部件列表如下所示：

1：旋转平台；        2：脉冲激光器；

3：固定基座；                S：超声波发射模块；

4：发射基站外壳；            Q₁：第一超声接收模块；

P：光电二极管；              Q₂：第二超声接收模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了实现在某些特定的工作环境下的全站式空间测量定位以及测量原理简单，参见图1、图2、图3、图4和图5，本发明实施例提供了一种基于光电扫描与超声测距的全站式空间测量定位方法，该方法包括以下步骤：

101：构建发射基站和接收器；

其中，发射基站包括：发射扫描激光的旋转平台1、发射同步脉冲激光的脉冲激光器2、发射超声波的超声波发射模块S、固定基座3、发射基站外壳4；

发射基站外壳4设置在固定基座3上，脉冲激光器2与超声波发射模块S位于以旋转平台1的转轴为中心的发射基站外壳4上，旋转平台1旋转，发射扫描激光，旋转平台1每旋转一周触发一次同步脉冲激光，且同时触发一束预设频率的超声波。

其中，通过该发射基站使得发出的同步脉冲激光与超声波可以覆盖整个测量空间。预设频率根据实际应用中的需要进行设定，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

其中，接收器包括：第一超声接收模块Q₁、光电二极管P和第二超声接收模块Q₂，

第一超声接收模块Q₁、光电二极管P和第二超声接收模块Q₂位于同一直线上，第一超声接收模块Q₁和第二超声接收模块Q₂分别位于光电二极管P的两侧，光电二极管P接收发射基站发出的扫描激光和同步脉冲激光，用于解算光电二极管P的空间角度关系；第一超声接收模块Q₁和第二超声接收模块Q₂接收发射基站发出的超声波，用于解算光电二极管P与发射基站的距离。

102：标定超声波发射模块S在发射基站上的位置；

其中，该步骤具体为：坐标原点O定于一个扫描激光平面与转轴的交点，竖直向上为Z轴方向，码盘读数头方向为X轴，采用右手系确定Y轴方向，利用激光跟踪仪或经纬仪等仪器标出超声波发射模块S在坐标系下的位置(α_s，β_s，r_s)。其中(α_s，β_s)为超声波发射模块S的空间角度，做超声波发射模块S在XOY平面的投影s′，则α_s为OS′与X轴的夹角，β_s为OS与OS′的夹角，r_s为超声波发射模块S与坐标原点O的距离。

103：标定第一超声接收模块Q₁和第二超声接收模块Q₂在接收器上的位置；

其中，该步骤具体为：第一超声接收模块Q₁和第二超声接收模块Q₂与光电二极管P处于同一直线上，并垂直于接收器的轴线，利用影像测量仪标定出第一超声接收模块Q₁与光电二极管P的距离r₁，第二超声接收模块Q₂与光电二极管P的距离和r₂。

104：通过光电扫描法测量光电二极管P的水平角α和俯仰角β，其中，光电二极管P在XOY平面上的投影为P′，则OP′与X轴所成夹角为水平角α，OP与OP′所成夹角为俯仰角β；

其中，该光电扫描法与传统的WMPS系统测角方式相同，光电二极管P可以接收发射基站发出的扫描激光与同步脉冲激光，以同步脉冲激光作为计时基准，通过计量扫描激光扫过光电二极管P的时间，即可解算光电二极管P的水平角α和俯仰角β。具体解算方法请参考论文《基于光电扫描的大尺度空间坐标测量定位技术研究》(博士学位论文，2010年，天津大学，作者：杨凌辉)，具体实现时，本发明实施例在此不做赘述。

105：通过超声测距法测量第一超声接收模块Q₁与超声发射模块S之间的距离d₁′，第二超声接收模块Q₂与超声发射模块S之间的距离d₂′；

其中，该步骤具体为：旋转平台1每旋转一周，会触发一次同步脉冲激光，由于光速远远大于声速，因此在室内测量空间内，同步脉冲激光传播的时间可忽略不计。在旋转平台1触发同步脉冲激光的同时，由超声波发射模块S发出一定频率的超声波，第一超声接收模块Q₁、第二超声接收模块Q₂在接收到同步脉冲激光后启动计时器，当第一超声接收模块Q₁接收到超声波后停止计时，记这段时间为t1；当第二超声接收模块Q₂接收到超声波后停止计时，记这段时间为t2，则超声发射模块S与第一超声接收模块Q₁的距离d₁′＝vt1，超声发射模块S与第二超声接收模块Q₂的距离d₂′＝vt2，其中v为根据环境温度修正后的声速。

106：计算光电二极管P的空间坐标。

参见图4，具体计算过程如下：假设∠SQ₂Q₁＝γ，则根据余弦定理有

$\cos \mathrm{\γ}=\frac{d_2^{\′2}+{(r_1+r_2)}^2-{d_1}^{\′2}}{{2d}_2^{\′}(r_1+r_2)}=\frac{{d_2}^{\′2}+{r_2}^2-d^{\′2}}{{2d}_2^{\′}{r}_2}$

其中，d′为超声发射模块S与光电二极管P之间的距离。

假设∠SOP＝σ，在OP与OS上各取一个距原点距离为单位1的点P₁和S₁，则P₁和S₁的坐标分别为(cosβcosα，cosβsinα，sinβ)和(cosβ_scosα_s，cosβ_ssinα_s，sinβ_s)，则根据余弦定理有：

$\cos \mathrm{\σ}=\frac{2-[{(\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}-\cos {\mathrm{\β}}_s\cos {\mathrm{\α}}_s)}^2+{(\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}-\cos {\mathrm{\β}}_s\sin {\mathrm{\α}}_s)}^2+{(\sin \mathrm{\β}-{\sin \mathrm{\β}}_s)}^2]}{2}=\frac{{r_s}^2+d^2-d^{\′2}}{2r_{s}d}$

这样即可确定坐标原点O与光电二极管P之间的距离d；则光电二极管P的三维坐标为d(cosβcosα，cosβsinα，sinβ)。通过上述步骤实现了对光电二极管P的空间测量定位。

综上所述，本发明实施例提供了一种基于光电扫描与超声测距的全站式空间测量定位方法，本方法只使用单台发射基站工作，在发射基站触发同步激光脉冲的同时发出特定频率的超声波，接收器接收到同步激光脉冲时开始计时，以测量超声波的传播时间，乘以环境声速即可测得光电二极管到发射基站之间的距离，就可以通过光电二极管的空间角度关系以及与发射基站间的距离确定光电二极管的三维坐标，实现了在某些特定的工作环境下只使用单台发射基站的全站式空间测量定位，测量原理简单，满足了实际应用中的多种需要。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于光电扫描与超声测距的全站式空间测量定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)构建发射基站和接收器；

其中，所述发射基站包括：发射扫描激光的旋转平台、发射同步脉冲激光的脉冲激光器、发射超声波的超声波发射模块、固定基座、发射基站外壳；

所述发射基站外壳设置在所述固定基座上，所述脉冲激光器与所述超声波发射模块位于以所述旋转平台的转轴为中心的所述发射基站外壳上，所述旋转平台旋转，发射所述扫描激光，所述旋转平台每旋转一周触发一次所述同步脉冲激光，且同时触发一束预设频率的所述超声波；

其中，所述接收器包括：第一超声接收模块、光电二极管和第二超声接收模块，

所述第一超声接收模块、所述光电二极管和所述第二超声接收模块位于同一直线上，所述第一超声接收模块和所述第二超声接收模块分别位于所述光电二极管的两侧，所述光电二极管接收所述扫描激光和所述同步脉冲激光，用于解算所述光电二极管的空间角度关系；所述第一超声接收模块和所述第二超声接收模块接收所述超声波，用于解算所述光电二极管与所述发射基站的距离；

(2)标定所述超声波发射模块在所述发射基站上的位置；

(3)标定所述第一超声接收模块和所述第二超声接收模块在所述接收器上的位置；

(4)通过光电扫描法测量所述光电二极管的水平角α和俯仰角β，其中，所述光电二极管在XOY平面上的投影为P′，则OP′与X轴所成夹角为所述水平角α，OP与OP′所成夹角为所述俯仰角β，其中，X轴为码盘读数头方向，O为一个扫描激光平面与所述转轴的交点，作为坐标原点；采用右手系确定Y轴；

(5)通过超声测距法测量所述第一超声接收模块与所述超声发射模块之间的距离d₁′，所述第二超声接收模块与所述超声发射模块之间的距离d₂′；

(6)计算所述光电二极管的空间坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于光电扫描与超声测距的全站式空间测量定位方法，其特征在于，所述标定所述超声波发射模块在所述发射基站上的位置具体包括：

利用激光跟踪仪或经纬仪标出所述超声波发射模块的位置(α_s，β_s，r_s)，其中(α_s，β_s)为所述超声波发射模块的空间角度，做所述超声波发射模块在所述XOY平面的投影s′，则α_s为OS′与X轴的夹角，β_s为OS与OS′的夹角，r_s为所述超声波发射模块与所述坐标原点O的距离。

3.根据权利要求2所述的一种基于光电扫描与超声测距的全站式空间测量定位方法，其特征在于，所述标定所述第一超声接收模块和所述第二超声接收模块在所述接收器上的位置具体包括：

所述第一超声接收模块和所述第二超声接收模块与所述光电二极管处于同一直线上，并垂直于所述接收器的轴线，利用影像测量仪标定出所述第一超声接收模块与所述光电二极管的距离r₁，所述第二超声接收模块与所述光电二极管的距离r₂。

4.根据权利要求3所述的一种基于光电扫描与超声测距的全站式空间测量定位方法，其特征在于，所述计算光电二极管的空间坐标具体包括：

假设∠SQ₂Q₁＝γ，则根据余弦定理有

$\cos \mathrm{\γ}=\frac{d_2^{\′2}+{(r_1+r_2)}^2-{d_1}^{\′2}}{{2d}_2^{\′}(r_1+r_2)}=\frac{{d_2}^{\′2}+{r_2}^2-d^{\′2}}{{2d}_2^{\′}{r}_2}$

其中，S为所述超声发射模块，Q₁为所述第一超声接收模块、Q₂为所述第二超声接收模块，d′为所述超声发射模块与所述光电二极管之间的距离；P为所述光电二极管；假设∠SOP＝σ，在OP与OS上各取一个距所述坐标原点O距离为单位1的点P₁和S₁，则P₁和S₁的坐标分别为(cosβcosα，cosβsinα，sinβ)和(cosβ_scosα_s，cosβ_ssinα_s，sinβ_s)，则根据余弦定理有：

$\cos \mathrm{\σ}=\frac{2-[{(\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}-\cos {\mathrm{\β}}_s\cos {\mathrm{\α}}_s)}^2+{(\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}-\cos {\mathrm{\β}}_s\sin {\mathrm{\α}}_s)}^2+{(\sin \mathrm{\β}-{\sin \mathrm{\β}}_s)}^2]}{2}=\frac{{r_s}^2+d^2-d^{\′2}}{2r_{s}d}$

则所述光电二极管的三维坐标为d(cosβcosα，cosβsinα，sinβ)，d为所述坐标原点O与所述光电二极管之间的距离。

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