CN103345269A - 一种激光发射装置及自动追踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光发射装置及自动追踪方法，实现对移动中的激光接收器靶标的快速而准确的自动跟踪。所述激光发射装置包括激光安装平台和底架；所述激光安装平台包括用于发射调制激光信号的激光发射器，用于带动激光发射器旋转的激光发射器旋转机构，用于控制激光发射器旋转速度并自动追踪激光接收器的激光发射器旋转控制单元，用于激光发射器调平的自动调平机构和用于接收激光发射器转速数据并发射激光发射角度数据的通信单元；所述底架包括支撑整个激光安装平台的三脚架和用于激光安装平台升降的激光安装平台升降单元。

Description

一种激光发射装置及自动追踪方法

技术领域

本发明属于自动定位技术领域，特别涉及一种激光发射装置及自动追踪方法。

背景技术

精确定位技术是实现农田作业机械自动驾驶和处方农业的基础技术之一，在农业机械对靶喷洒、精量施肥、收割测产、自动栽插等许多作业过程中有着广泛的用途，是现代智能农业机械研究的一个重要内容。由于激光具备体积小、重量轻、速度快以及误差小等优点，在建筑行业用于水平和垂直校准中应用极为广泛，但在定位方面的研究才刚起步。激光动态定位系统中，激光发射器发射激光信号并自动跟踪激光接收靶标中心，不出现脱靶现象，是激光三点动态定位系统正常工作的基础。目前市面上的激光发射装置均不能有效的自动追踪激光接收器，不适用于激光三点动态定位系统。

发明内容

本发明的目的是：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于激光三点动态定位的激光发射装置及自动追踪方法，实现对移动中的激光接收器靶标的快速而准确的自动跟踪，为农田作业机械无人驾驶和田间数据定点采集奠定基础。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，一种用于自动追踪的激光发射装置，包括激光发射器、激光发射器姿态调整装置和控制盒，所述的激光发射器安装于激光发射器姿态调整装置上，所述的控制盒通信连接激光发射器姿态调整装置以实现对激光发射器姿态的控制，激光发射器的控制端连接控制盒的输出端，所述的激光发射器姿态调整装置包括水平微调机构、激光发射器旋转机构和调平机构，所述的激光发射器安装于水平微调机构上，所述的激光发射器旋转机构连接水平微调机构以实现驱动激光发射器旋转，水平微调机构和激光发射器旋转机构均安装于调平机构上。

所述的一种用于自动追踪的激光发射装置，所述的调平机构包括底板、二升降步进电机、二丝杆、开有用于穿过丝杆的穿孔的连接板、二活动板、固定挡板、二限位传感器、三球头关节轴承、平台板、固定支杆、倾角传感器，所述的二升降步进电机和固定支杆均固定于底板上，所述的连接板水平固定于升降步进电机上，二丝杆的一端穿过连接板的穿孔分别连接二升降步进电机，另一端连接活动板，升降步进电机驱动丝杆旋转并带动活动板升降，所述的固定挡板竖直固定于连接板上以实现对活动板的导向，所述的二限位传感器水平固定于固定挡板上以实现对活动板的限位，所述的三球头关节轴承的一端分别固定于平台板的底部以支撑平台板，其中两个球头关节轴承的另一端分别固定于二活动板上，另一个球头关节轴承固定于固定支杆上，所述的倾角传感器固定于平台板上，控制盒固定于底板上，激光发射器旋转机构固定于平台板的底部，限位传感器、倾角传感器、升降步进电机和激光发射器旋转机构分别通信连接控制盒。

所述的一种用于自动追踪的激光发射装置，所述的水平微调机构包括水平调整支架和筒状的激光发射器安装孔，所述的激光发射器安装孔固定于水平调整支架上并用于固定激光发射器，所述的水平调整支架为双层互相垂直叠放的夹状的支架，两层支架的末端分别设有横向水平微调螺钉和纵向水平微调螺钉，水平调整支架安装于平台板上且底部连接激光发射器旋转机构。

所述的一种用于自动追踪的激光发射装置，所述的激光发射器旋转机构为旋转步进电机。

一种自动追踪方法，包括以下步骤：

步骤一：设置两个固定位置的激光发射装置：第一激光发射装置和第二激光发射装置，在欲追踪的目标上设置激光接收器，两个激光发射装置分别作自旋转并发射激光，同时建立平面坐标系，定义两个激光发射装置之间的连线为基线，第一激光发射装置的坐标为（x_A，y_A），第二激光发射装置的坐标为（x_B，y_B）；

步骤二：当激光接收器同时接收到两个激光发射装置所分别发射的激光信号时，由通信单元反馈信息到激光发射装置的旋转控制单元，实时检测激光发射器的激光发射角度，并根据两个激光发射装置的坐标，解算当前激光接收器所在位置的坐标（x₁，y₁）；

步骤三：在解算出移动过程中的激光接收器至少三个位置坐标后，由已知的位置坐标值预估激光接收器的移动趋势；

步骤四：由预估得到的激光接收器移动趋势，计算对应的激光发射装置上的激光发射器所应旋转的角度，实时追踪激光接收器。

所述的方法，步骤二中所述的解算当前激光接收器所在位置的坐标（x₁，y₁）的步骤包括：

当激光接收器同时接收到两个激光发射装置所分别发射的激光信号时，定义此时第一激光发射装置与激光接收器的连线与基线的夹角为α，第二激光发射装置与激光接收器的连线与基线的夹角为β，通过以下公式计算激光接收器的坐标（x₁，y₁）：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=\frac{\tan \mathrm{\β}}{\tan \mathrm{\α}+\tan \mathrm{\β}}(x_B-x_A)-\frac{\tan \mathrm{\α}\·\tan \mathrm{\β}}{\tan \mathrm{\α}+\tan \mathrm{\β}}(y_B-y_A)\\ y_1=\frac{\tan \mathrm{\α}\·\tan \mathrm{\β}}{\tan \mathrm{\α}+\tan \mathrm{\β}}(x_B-x_A)+\frac{\tan \mathrm{\β}}{\tan \mathrm{\α}+\tan \mathrm{\β}}(y_B-y_A)\end{array}\right..$

所述的方法，步骤三中所述的由已知的位置坐标值预估激光接收器的移动趋势的步骤包括：

设所解算出激光接收器的三个坐标分别为坐标1（x₁，y₁），坐标2（x₂，y₂），坐标3（x₃，y₃），通过以下公式计算坐标1至坐标2的直线斜率K₁₂和坐标2至坐标3的斜率K₂₃：

$K_{12}=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1},$

$K_{23}=\frac{y_3-y_2}{x_3-x_2};$

再采用以下公式求得位置坐标3至预估的位置坐标4的直线斜率K₃₄：

$K_{34}=\frac{1}{2}(K_{12}+K_{23});$

则求得坐标4（x₄，y₄）为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_4=\mathrm{vt}\·\sqrt{\frac{1}{1+{k_{34}}^2}}\\ y_4=\mathrm{vt}\·\sqrt{1-\frac{1}{1+{k_{34}}^2}}\end{array}\right.,$

其中，v为激光接收器的移动速度，t为单位采样时间。

所述的方法，步骤四中所述的计算对应的激光发射装置上的激光发射器所应旋转的角度的步骤包括：

首先计算第一激光发射器与坐标3和坐标4的距离L_A-3，L_A-4，以及坐标3至坐标4的距离L_3-4，计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{A-3}=\sqrt{{(x_3-x_A)}^2+{(y_3-y_A)}^2}\\ L_{A-4}=\sqrt{{(x_4-x_A)}^2+{(y_4-y_A)}^2}\\ L_{3-4}=\sqrt{{(x_4-x_3)}^2+{(y_4-y_3)}^2}=\mathrm{vt}\end{array}\right.,$

再通过以下公式计算第一激光发射器所应旋转的角度θ为：

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{L_{A-3}^2+L_{A-4}^2+L_{3-4}^2}{2\·L_{A-3}\·L_{A-4}}.$

本发明的技术效果在于，相比以往技术，本发明通过自动调平机构，解决激光水平发射问题，通过定位坐标的解算，实现跟踪目标的速度计算与预估，并根据预估的速度，解算激光跟踪的预估旋转角速度，从而实现激光发射器对激光接收靶的自动跟踪。

附图说明

图1为本发明激光发射装置的结构示意图；

图2为本发明激光发射装置水平微调机构的结构示意图；

图3为本发明定位激光接收的示意图；

图4为本发明追踪目标的示意图，

其中1-活动板，2-固定挡板，3-连接板，4-底板，5-平台板，6-升降步进电机，7-旋转步进电机，8-球头关节轴承，9-支杆，10-控制盒，11-倾角传感器，12-激光发射器，13-限位传感器，14-水平微调机构，15-激光头安装孔，16-横向水平微调螺钉，17-水平调整支架，18-纵向水平微调螺钉。

具体实施方式

参见图1，本发明装置包括激光发射器、激光发射器姿态调整装置和控制盒，激光发射器安装于激光发射器姿态调整装置上，控制盒通信连接激光发射器姿态调整装置以实现对激光发射器姿态的控制，激光发射器的控制端连接控制盒的输出端，激光发射器姿态调整装置包括水平微调机构、激光发射器旋转机构和调平机构，激光发射器安装于水平微调机构上，激光发射器旋转机构连接水平微调机构以实现驱动激光发射器旋转，水平微调机构和激光发射器旋转机构均安装于调平机构上。

调平机构包括底板、二升降步进电机、二丝杆、开有用于穿过丝杆的穿孔的连接板、二活动板、固定挡板、二限位传感器、三球头关节轴承、平台板、固定支杆、倾角传感器，二升降步进电机和固定支杆均固定于底板上，连接板水平固定于升降步进电机上，二丝杆的一端穿过连接板的穿孔分别连接二升降步进电机，另一端连接活动板，升降步进电机驱动丝杆旋转并带动活动板升降，固定挡板竖直固定于连接板上以实现对活动板的导向，二限位传感器水平固定于固定挡板上以实现对活动板的限位，三球头关节轴承的一端分别固定于平台板的底部以支撑平台板，其中两个球头关节轴承的另一端分别固定于二活动板上，另一个球头关节轴承固定于固定支杆上，倾角传感器固定于平台板上，控制盒固定于底板上，激光发射器旋转机构固定于平台板的底部，限位传感器、倾角传感器、升降步进电机和激光发射器旋转机构分别通信连接控制盒。其中激光发射器旋转机构为旋转步进电机。

在使用时，平台板的三个角由三个球头关节轴承支撑，控制两个球头关节轴承的升降可以实现对平台板的调整。球头关节轴承由一个磨成球面的内圈装在相匹配的外圈中组成，可以在一个小的区间里同时承受径向与轴向负荷，在静态和摆动应用中允许适中的偏斜。两个球头关节轴承分别连接于两块活动板上，另一个球头关节轴承固定在支杆上。倾角传感器安放在平台板上，当平台板处于非水平状态，倾角传感器发出信号，由控制盒接收信号处理后控制升降步进电机旋转，升降步进电机的丝杆转动分别带动两块活动板上下运动，活动板在上下运动过程中沿着固定挡板移动，固定挡板能够起到导向作用，防止活动板在上下运动过程中随着丝杆一起转动。固定挡板上装有两个限位传感器，当活动板向下运动到限位传感器处时，限位传感器发出信号给控制盒，控制盒控制升降步进电机停止转动。当平台板最终调平后，再由倾角传感器发出信号给控制盒，控制盒控制步进电机停止转动，最终调平结束。

水平微调机构包括水平调整支架和筒状的激光发射器安装孔，激光发射器安装孔固定于水平调整支架上并用于固定激光发射器，水平调整支架为双层互相垂直叠放的夹状的支架，两层支架的末端分别设有横向水平微调螺钉和纵向水平微调螺钉，水平调整支架安装于平台板上且底部连接激光发射器旋转机构。

水平微调机构优选采用铝合金材料，主要由激光发射器安装孔和水平调整支架等构成。微调机构通过两组调节螺钉能够在横、纵两个方向上进行调平，每组调节螺钉各有三个微调螺钉，中间的微调螺钉用于控制平面的俯角，而两边的微调螺钉则用于控制平面的仰角的。同时，机构在两个水平气泡的配合下，调平精度能够达到±0.1’,满足系统精度的要求。水平微调机构通过联轴器与旋转步进电机轴相连，从而使旋转步进电机带动激光发射器旋转，形成激光扫描平面。

激光发射器优选普通镭射635nm的红外激光，通过发射器控制单元产生的38KHz载波信号作为定位用光源，激光发射器安装于激光发射器安装孔上，由旋转步进电机组成的激光发射器跟踪旋转机构在发射器控制单元的控制下做360°跟踪旋转运动，用于追踪安装在运动机械上的激光接收器。

所述激光发射器发射的激光信号自动追踪激光接收器方法如下：

1）如图3所示，A、B分别为两个激光发射装置，其放置的位置坐标分别已知为（x_A，y_A）（x_B，y_B），追踪移动中的激光接收器，用于激光三点动态定位，以实时解算激光接收器当前所在位置坐标1（x₁，y₁）。

2）启动时，至少两个激光发射装置上的激光发射器在已知针对两个激光发射器旋转中心的基线对应的旋转角度后，由激光发射器旋转机构带动，采用360°旋转方式扫描搜索到激光接收器靶标水平方向对应的中心位置；

3）在激光接收器靶标接收到激光信号时，由通信单元反馈信息到激光发射装置的旋转控制单元，实时检测两个激光发射器的激光发射角度α、β，通过通信单元将数据传输至外设，根据激光三点动态定位原理，解算当前激光接收器所在位置的坐标1（x₁，y₁），具体公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=\frac{\tan \mathrm{\β}}{\tan \mathrm{\α}+\tan \mathrm{\β}}(x_B-x_A)-\frac{\tan \mathrm{\α}\·\tan \mathrm{\β}}{\tan \mathrm{\α}+\tan \mathrm{\β}}(y_B-y_A)\\ y_1=\frac{\tan \mathrm{\α}\·\tan \mathrm{\β}}{\tan \mathrm{\α}+\tan \mathrm{\β}}(x_B-x_A)+\frac{\tan \mathrm{\β}}{\tan \mathrm{\α}+\tan \mathrm{\β}}(y_B-y_A)\end{array}\right.---\left(1\right)$

4）如图4所示，解算出移动过程中的激光接收器至少三个位置坐标1（x₁，y₁），2（x₂，y₂），3（x₃，y₃）后，由已知的位置坐标值预估激光接收器的移动趋势点4（x₄，y₄）的坐标值，具体公式如下：

首先，计算位置坐标1至位置坐标2的直线斜率K₁₂和位置坐标2至位置坐标3的直线斜率K₂₃；

$K_{12}=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}---\left(2\right)$

$K_{23}=\frac{y_3-y_2}{x_3-x_2}---\left(3\right)$

再采用拟合方式取位置坐标3至预估的位置坐标4的直线斜率K₃₄；

$K_{34}=\frac{1}{2}(K_{12}+K_{23})---\left(4\right)$

由此得位置坐标4（x₄，y₄）为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_4=\mathrm{vt}\·\sqrt{\frac{1}{1+{k_{34}}^2}}\\ y_4=\mathrm{vt}\·\sqrt{1-\frac{1}{1+{k_{34}}^2}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，v为激光接收器的移动速度，t为单位采样时间。

5）由预估得到的激光接收器移动趋势，计算对应的激光发射装置上的激光发射器所应旋转的角度θ，实时追踪激光接收器，具体公式如下：

首先分别计算激光发射器A至位置3与位置4的距离L_A-3，L_A-4，以及位置3至位置4的距离L_3-4；

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{A-3}=\sqrt{{(x_3-x_A)}^2+{(y_3-y_A)}^2}\\ L_{A-4}=\sqrt{{(x_4-x_A)}^2+{(y_4-y_A)}^2}\\ L_{3-4}=\sqrt{{(x_4-x_3)}^2+{(y_4-y_3)}^2}=\mathrm{vt}\end{array}\right.---\left(6\right)$

再计算得激光发射器所应旋转的角度θ为：

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{L_{A-3}^2+L_{A-4}^2+L_{3-4}^2}{2\·L_{A-3}\·L_{A-4}}---\left(7\right)$

Claims (8)

1.一种用于自动追踪的激光发射装置，其特征在于，包括激光发射器、激光发射器姿态调整装置和控制盒，所述的激光发射器安装于激光发射器姿态调整装置上，所述的控制盒通信连接激光发射器姿态调整装置以实现对激光发射器姿态的控制，激光发射器的控制端连接控制盒的输出端，所述的激光发射器姿态调整装置包括水平微调机构、激光发射器旋转机构和调平机构，所述的激光发射器安装于水平微调机构上，所述的激光发射器旋转机构连接水平微调机构以实现驱动激光发射器旋转，水平微调机构和激光发射器旋转机构均安装于调平机构上。

2.根据权利要求1所述的一种用于自动追踪的激光发射装置，其特征在于，所述的调平机构包括底板、二升降步进电机、二丝杆、开有用于穿过丝杆的穿孔的连接板、二活动板、固定挡板、二限位传感器、三球头关节轴承、平台板、固定支杆、倾角传感器，所述的二升降步进电机和固定支杆均固定于底板上，所述的连接板水平固定于升降步进电机上，二丝杆的一端穿过连接板的穿孔分别连接二升降步进电机，另一端连接活动板，升降步进电机驱动丝杆旋转并带动活动板升降，所述的固定挡板竖直固定于连接板上以实现对活动板的导向，所述的二限位传感器水平固定于固定挡板上以实现对活动板的限位，所述的三球头关节轴承的一端分别固定于平台板的底部以支撑平台板，其中两个球头关节轴承的另一端分别固定于二活动板上，另一个球头关节轴承固定于固定支杆上，所述的倾角传感器固定于平台板上，控制盒固定于底板上，激光发射器旋转机构固定于平台板的底部，限位传感器、倾角传感器、升降步进电机和激光发射器旋转机构分别通信连接控制盒。

3.根据权利要求2所述的一种用于自动追踪的激光发射装置，其特征在于，所述的水平微调机构包括水平调整支架和筒状的激光发射器安装孔，所述的激光发射器安装孔固定于水平调整支架上并用于固定激光发射器，所述的水平调整支架为双层互相垂直叠放的夹状的支架，两层支架的末端分别设有横向水平微调螺钉和纵向水平微调螺钉，水平调整支架安装于平台板上且底部连接激光发射器旋转机构。

4.根据权利要求3所述的一种用于自动追踪的激光发射装置，其特征在于，所述的激光发射器旋转机构为旋转步进电机。

5.一种自动追踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：设置两个固定位置的激光发射装置：第一激光发射装置和第二激光发射装置，在欲追踪的目标上设置激光接收器，两个激光发射装置分别作自旋转并发射激光，同时建立平面坐标系，定义两个激光发射装置之间的连线为基线，第一激光发射装置的坐标为（x_A，y_A），第二激光发射装置的坐标为（x_B，y_B）；

步骤二：当激光接收器同时接收到两个激光发射装置所分别发射的激光信号时，由通信单元反馈信息到激光发射装置的旋转控制单元，实时检测激光发射器的激光发射角度，并根据两个激光发射装置的坐标，解算当前激光接收器所在位置的坐标（x₁，y₁）；

步骤三：在解算出移动过程中的激光接收器至少三个位置坐标后，由已知的位置坐标值预估激光接收器的移动趋势；

步骤四：由预估得到的激光接收器移动趋势，计算对应的激光发射装置上的激光发射器所应旋转的角度，实时追踪激光接收器。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤二中所述的解算当前激光接收器所在位置的坐标（x₁，y₁）的步骤包括：

当激光接收器同时接收到两个激光发射装置所分别发射的激光信号时，定义此时第一激光发射装置与激光接收器的连线与基线的夹角为α，第二激光发射装置与激光接收器的连线与基线的夹角为β，通过以下公式计算激光接收器的坐标（x₁，y₁）：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=\frac{\tan \mathrm{\β}}{\tan \mathrm{\α}+\tan \mathrm{\β}}(x_B-x_A)-\frac{\tan \mathrm{\α}\·\tan \mathrm{\β}}{\tan \mathrm{\α}+\tan \mathrm{\β}}(y_B-y_A)\\ y_1=\frac{\tan \mathrm{\α}\·\tan \mathrm{\β}}{\tan \mathrm{\α}+\tan \mathrm{\β}}(x_B-x_A)+\frac{\tan \mathrm{\β}}{\tan \mathrm{\α}+\tan \mathrm{\β}}(y_B-y_A)\end{array}\right..$

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤三中所述的由已知的位置坐标值预估激光接收器的移动趋势的步骤包括：

设所解算出激光接收器的三个坐标分别为坐标1（x₁，y₁），坐标2（x₂，y₂），坐标3（x₃，y₃），通过以下公式计算坐标1至坐标2的直线斜率K₁₂和坐标2至坐标3的斜率K₂₃：

$K_{12}=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1},$

$K_{23}=\frac{y_3-y_2}{x_3-x_2};$

再采用以下公式求得位置坐标3至预估的位置坐标4的直线斜率K₃₄：

$K_{34}=\frac{1}{2}(K_{12}+K_{23});$

则求得坐标4（x₄，y₄）为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_4=\mathrm{vt}\·\sqrt{\frac{1}{1+{k_{34}}^2}}\\ y_4=\mathrm{vt}\·\sqrt{1-\frac{1}{1+{k_{34}}^2}}\end{array}\right.,$

其中，v为激光接收器的移动速度，t为单位采样时间。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤四中所述的计算对应的激光发射装置上的激光发射器所应旋转的角度的步骤包括：

首先计算第一激光发射器与坐标3和坐标4的距离L_A-3，L_A-4，以及坐标3至坐标4的距离L_3-4，计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{A-3}=\sqrt{{(x_3-x_A)}^2+{(y_3-y_A)}^2}\\ L_{A-4}=\sqrt{{(x_4-x_A)}^2+{(y_4-y_A)}^2}\\ L_{3-4}=\sqrt{{(x_4-x_3)}^2+{(y_4-y_3)}^2}=\mathrm{vt}\end{array}\right.,$

再通过以下公式计算第一激光发射器所应旋转的角度θ为：

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{L_{A-3}^2+L_{A-4}^2+L_{3-4}^2}{2\·L_{A-3}\·L_{A-4}}.$

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