CN102829754B - 三维测角仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一款应用于地理遥感系统采集地表物体反射光角度及光谱数据的装置——三维测角仪。根据所采集的大量数据，可构建不同地表物体的双向反射分布函数模型，解决生态和遥感科学当中的很多问题。其由天顶机构与方位机构两大部分构成。其中天顶机构包括天顶弧导向轨道5，摆杆3，转轴8，天顶移动平台4，支杆6，天顶杆1，天顶杆支杆2及连接装置等，方位机构包括方位圆轨道7，方位移动平台9等。天顶机构在方位移动平台驱动下沿方位圆轨道0～360°范围内运动，摆杆在天顶移动平台驱动下沿天顶弧导向轨道-75°～75°范围内运动。光谱仪安装在天顶杆末端，由天顶机构及摆杆的运动实现在半球面内的扫掠，最终完成数据的采集与存储。

Description

三维测角仪

技术领域

本发明涉及一款应用于地理遥感系统当中用于采集地表物体反射光角度及光谱数据的装置——三维测角仪。

背景技术

光谱仪能够测量不同波长光线的谱线强度，而三维测角仪能够使得光谱仪在一个半球面上运动，并记录光谱仪的位置信息，间接地测量出各种反射光线的角度。融合大量光谱仪测得的谱线强度信息和测角仪测得的反射光线角度信息，便可以构建被测地表物体的双向反射分布函数模型。

不同的地表物体具有不同的结构，而不同的结构又会导致其反射特征彼此不同，描述其反射特征的双向反射分布函数模型也就互不相同。对所构建的被测地表物体的双向反射分布函数模型进行分析，便可从中定量提取出样本的一些基本结构参数信息，就能实现具有现实意义的定量遥感，来了解大范围地表的基本状况，从而可以解决很多生态和遥感科学当中的问题。

发明内容

为了解决生态、遥感等科学当中的很多问题，构建双向反射分布函数模型，完成对地表物体反射光线角度与光谱强度的测量，本发明提供一款三维测角仪，该测角仪可在半球面上对地表物体(实验对象)进行多角度测量并采集记录反射光线的角度及光谱强度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明三维测角仪如附图1结构主要分为两大部分：天顶机构和方位机构。天顶机构包括直径为1.5m的天顶弧导向轨道(5)，摆杆(3)，转轴(8)，天顶移动平台(4)，支杆(6)，天顶杆(1)，天顶杆支杆(2)以及各结构之间的连接装置等。方位机构包括直径为4m的方位圆轨道(7)，方位移动平台(9)等。

三维测角仪拥有两个方向的自由度，即摆杆在天顶弧导向轨道平面上绕转轴的转动和天顶机构在方位圆轨道平面上绕方位圆圆心的转动。天顶电机驱动天顶移动平台沿天顶弧导向轨道运动，天顶移动平台又带动摆杆，使摆杆实现在天顶弧导向轨道平面上的转动。同样地，方位电机驱动方位移动平台沿方位圆轨道转动，方位移动平台的转动带动固定在其上的天顶机构公转。最终两个方向的自由度实现了光谱仪在半球面上的运动。

天顶弧导向轨道是天顶机构的主架，由两根铝型材通过折弯机折弯制成(或由热成型技术加工制成)，其直径为1.5m，它确定了天顶杆末端光谱仪的运动路径。

天顶移动平台如附图2，其在天顶弧轨道上的定位通过八个天顶移动平台滚轮(8)完成。第一层的四个滚轮在天顶弧导向轨道的上表面滚动，第二层的四个滚轮在天顶弧导向轨道的下表面滚动，于是天顶小车被限制只能沿着天顶弧导向轨道运动。天顶电机的输出轴上连有小齿轮(2)，小齿轮又与大齿轮(3)啮合，大齿轮通过天顶弧链轮轴(5)带动两个天顶弧链轮(4)一起转动，天顶弧链轮与固定在天顶弧导向轨道上的天顶弧链条(7)啮合，最终实现天顶小车在天顶电机的驱动下沿天顶弧导向轨道运动。

天顶机构使用双摆杆结构，摆杆转轴相对于天顶弧导向轨道圆心偏心放置，天顶小车与摆杆之间由滑块与滑轨连接，滑块滑轨允许摆杆摆动时相对天顶小车运动，弥补了转轴与天顶弧导向轨道圆心之间的偏心距以及零件安装误差所带来的偏差。

方位圆轨道是方位机构的主架，可以分为上下两层，每层均由八段铝型材拼接而成。每段铝型材由折弯机折弯45°制成(或由热成型技术加工制成)。方位圆轨道的上下两层之间通过螺栓紧固。方位圆轨道的上层主要用来支撑天顶机构，行走方位小车，方位随动小车以及方位随动滑块。下层固定有方位圆链条，与方位小车中的链轮啮合。在下层的底部还装有八个踢脚，可以调整方位圆轨道距地面的高度，以适应不同的勘测地形。

方位移动平台，包括方位小车、方位随动小车(如附图3)和方位随动滑块。其中方位小车的侧滚轮用来完成方位小车在方位圆轨道径向上的定位。内侧的滚轮与方位圆轨道内侧面相切，外侧的滚轮与方位圆轨道外侧面相切，限制方位小车只能在方位圆轨道上运动。除此，侧滚轮在方位圆轨道铝型材凹槽内滚动，这样在垂直于方位圆平面的方向上，对方位小车有一个限位，在一定程度上能够抵抗天顶杆末端光谱仪对方位小车转矩的影响。方位小车底部滚轮可以在方位圆轨道上自由滚动，这样随着方位圆链轮的转动，方 位小车就可以沿着方位圆轨道运动。方位小车和方位随动小车上的定位块用于与天顶机构中短支杆上的定位槽配合，这样给天顶机构提供了一个定位基准，便于装配过程中天顶机构与方位机构的定位与安装。方位随动小车和方位随动滑块结构与方位小车相似。

天顶电机与方位电机均采用直流伺服电机，通过单片机与电机驱动器控制两伺服电机，并在两个移动平台上设有刹车闸，实现三维测角仪全自动与手动两种操作方式。

本发明的有益效果是：

本发明三维测角仪整体结构简单，拆装方便，利于运输；

三维测角仪测量范围广，环境适应性好；

三维测角仪测量时间短，效率高；

三维测角仪带动光谱仪定位准确，测量点足够多；

三维测角仪天顶弧导向轨道偏置放置，测量范围内无阴影。

附图说明：

图1为三维测角仪整体结构图；

图2为天顶移动平台结构图；

图3为方位移动平台中方位随动小车结构图；

图1中(1)天顶杆(2)天顶杆支杆(3)摆杆(4)天顶移动平台(5)天顶弧导向轨道(6)支杆(7)方位圆轨道(8)转轴(9)方位移动平台

图2中(1)电机(2)小齿轮(3)大齿轮(4)天顶链轮(5)天顶链轮轴(6)天顶小车连接杆(7)天顶弧链条(8)天顶移动平台滚轮

图3中(1)方位随动小车平板(2)方位随动小车侧滚轮轴(3)方位随动小车侧滚轮(4)方位随动小车链轮轴(5)方位随动小车链轮(6)方位随动小车轴承座(7)方位随动小车底部滚轮(8)定位块

具体实施方式  

首先将三维测角仪零部件运至所需实验测试的场地，进行装配。装配完成后将形成一个具有直径4m水平方位圆轨道和直径1.5m竖直天顶弧导向轨道的三维测角仪。其中，光谱仪安装在天顶杆末端。

光谱仪具有两种操作方式：手动操作与全自动操作。

在手动操作中，实验工作人员按动开关，控制天顶电机与方位电机转动，从而可以为天顶机构与摆杆定位，驱动光谱仪在半球面上运动。光谱仪可以采集被测地表物体反射光线的光谱强度并记录。而反射光线的角度可以通过安装在转轴上与方位电机上的码盘计算得出。在方位圆轨道与天顶弧导向轨道上固定有标尺，方便手动操作时将光谱仪移至预定位置。

在全自动操作中，实验人员只需运行控制系统(控制系统不在本发明专利论述之内)，方位电机与天顶电机将自动运行。方位电机通过其上的码盘读数反馈形成闭环，控制天顶机构在360°范围内每转30°停一下。在方位电机暂停时，天顶电机工作，控制摆杆在-75°到75°(设定摆杆竖直位置为0°)范围内每15°停一下，光谱仪工作。这样，在半球面上，光谱仪共有120个位置，共可测量120组数据。光谱仪在每一位置反射光线的角度由两码盘的读数计算得出。通过改变控制程序，光谱仪还可获得更多位置的定位，用于更为准确的测试。

最终，当实验完成后，将三维测角仪按部件拆为若干块，装车运回。

Claims (5)

1.一种三维测角仪，包括天顶机构、方位机构；所述天顶机构包括直径为1.5m的天顶弧导向轨道、摆杆、转轴、天顶移动平台、支杆、天顶杆以及各结构之间的连接装置，摆杆由天顶移动平台驱动沿天顶弧导向轨道转动，带动天顶杆及其末端的光谱仪运动；所述方位机构包括直径为4m的方位圆轨道、方位移动平台，其特征在于：方位移动平台驱动天顶机构沿方位圆轨道360°运动；方位移动平台包括方位小车、方位随动小车和方位随动滑块；其中方位小车的侧滚轮用来完成方位小车在方位圆轨道径向上的定位，内侧滚轮与方位圆轨道内侧面相切，外侧滚轮与方位圆轨道外侧面相切，限制方位小车只能在方位圆轨道上运动，侧滚轮在方位圆轨道铝型材凹槽内滚动，对方位小车在垂直于方位圆轨道平面的方向上有一个限位，在一定程度上能够抵抗天顶杆末端光谱仪对方位小车转矩的影响；方位小车底部滚轮能够在方位圆轨道上自由滚动，随着方位圆轨道上方位圆链轮的转动，方位小车能够沿着方位圆轨道运动；方位小车和方位随动小车上的定位块用于与天顶机构中短支杆上的定位槽配合，给天顶机构提供一个定位基准，便于装配过程中天顶机构与方位机构的定位与安装；方位随动小车和方位随动滑块结构与方位小车相似；

所述的天顶弧导向轨道在方位圆轨道上偏置放置；

所述的摆杆有两支，构成双摆杆结构，并且双摆杆与所述天顶移动平台之间通过滑块滑轨连接，允许所述摆杆在摆动的过程中，与所述天顶移动平台间存在小范围的相对运动。

2.如权利要求1所述的三维测角仪，其特征在于：所述的光谱仪由杆件带动，在三维测角仪运动过程中，光谱仪测量范围一直锁定在方位圆轨道圆心及其附近的小范围内。

3.如权利要求1所述的三维测角仪，其特征在于：天顶移动平台中，天顶电机将动力传至链轮轴，链轮轴转动带动链轮转动，链轮与固定在天顶弧导向轨道上的链条啮合，从而驱动天顶移动平台运动，传动结构采用链轮链条传动或采用齿轮传动。

4.如权利要求1所述的三维测角仪，其特征在于：方位移动平台中，方位电机将动力传至链轮轴，链轮轴转动带动链轮转动，链轮与固定在方位圆轨道上的链条啮合，从而驱动方位移动平台运动，传动结构采用链轮链条传动或采用齿轮传动。

5.如权利要求1所述的三维测角仪，其特征在于：天顶弧导向轨道与方位圆轨道中，轨道由铝型材折弯或采用热成型技术加工制成，其中方位圆轨道由8段45°圆弧轨道拼接装配而成；在方位圆轨道下方装有踢脚，可调节三维测角仪距离地面高度。