CN103557821A

CN103557821A - 在非整平、对中、量高状态下实现三维空间测量方法

Info

Publication number: CN103557821A
Application number: CN201310587934.5A
Authority: CN
Inventors: 郑文; 刘艳斌
Original assignee: FUJIAN HUICHUAN DIGITAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: FUJIAN HUICHUAN DIGITAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2014-02-05

Abstract

本发明公开了在非整平、对中、量高状态下实现三维空间测量方法,所述的测量方法,依靠远程测距系统及其云台,所述的云台为一种垂直轴线和水平轴线正交的二维转动机械装置，其垂直轴线和水平轴线正交于测量器轴心线，通过大变比精密减速机构和控制模块上的细分电路实现对被测目标点的轻松精确瞄准;在垂直轴和水平轴上安装精密光栅度盘，并进行零度角的设定，建立起云台坐标原点的三维坐标系作为测量时相对三维坐标系;安装在云台上的测量器获取从测量原点至被测目标点的距离，通过精密光栅度盘获得测量器绕垂直轴和水平轴转动所转过的角度，得出被测目标点在测量时的相对三维坐标系空间的相对三维坐标值，实现在非整平、对中、量高的状态下实现远程对三维空间测量，进而实现面积、体积测量等。

Description

在非整平、对中、量高状态下实现三维空间测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术，尤其涉及一种在非整平、对中、量高状态下实现三维空间测量方法。

背景技术

云台在安防领域中已得到广泛应用，但现有的云台主要用于承载相机、摄像机等光学设备，虽然也有测角云台，但尚没有用于搭载测量器（如微波测距仪、光电测距仪等）进行三维空间精密测量的云台，主要原因：1）由于精密测量，对云台分辨率要求很高，目前市场云台的分辨率过低，使得搭载其上的测量器（如微波测距仪、光电测距仪等）很难通过控制云台轻松精确瞄准目标点，故无法进行精确测量； 2）应用搭载在现有云台上的测量器（如微波测距仪、光电测距仪等）进行测量时，每次测量前必须对云台进行整平、对中、量高调试，现场准备工作繁琐，费事费工，使用很不方便。特别进行远程控制测量时，每次测量前须先派人至云台安装现场进行调试，根本不现实，故无法实现远程监控控制测量。因此,本发明人对此进行改进。

发明内容

本发明任务是提供一种在非整平、对中、量高状态下实现三维空间测量方法。本发明任务是通过如下技术方案来实现的:

所述的方法依靠远程测距系统及其云台,所述的远程测距系统中包括远程监控客户端，云台和安装在其上的测量器、摄像机：远程监控客户端接收并显示远程现场传来的视频和数据，控制远程监控和检测终端的云台运动，使得测量器精确瞄准被测定的目标点；所述的云台为垂直轴线和水平轴线正交的二维转动精密机械装置，可分别绕垂直轴和水平轴作旋转运动,水平轴线与云台底面平行，垂直轴线与云台底面垂直，摄像机安装于测量器正上方，中轴线对齐;所述的云台设有水平驱动步进电机、垂直步进电机、水平光栅度盘或编码盘、垂直光栅度盘、控制模块、测量器、摄像机、大变比精密减速机构以及机座、机体等; 水平驱动步进电机直接驱动大变比精密减速机构，大变比精密减速机构固定在云台机体上，大变比精密减速机构的驱动轴与云台水平轴连接，云台水平轴固定在测量器安装座上，在测量器安装座的另一端水平轴上安装精密光栅度盘或编码盘，其读数传感器固定在机体上,同样，垂直轴驱动步进电机直接驱动大变比精密减速机构，大变比精密减速机构固定在云台机体上，大变比精密减速机构的驱动轴与固定在云台底座上的垂直轴连接；精密光栅度盘或编码盘安装在垂直轴上，其读数传感器固定在与垂直轴配合的转动套上;控制模块接收远程监控客户端的检测指令控制水平轴驱动步进电机通过大变比精密减速机构驱动安装在机体上的测量器绕水平轴做高分辨率的上下转动，同时水平轴上安装的精密光栅度盘或编码盘随着测量器绕水平轴做高分辨率的上下转动获得相应转动角度值；控制模块同时控制垂直轴驱动步进电机通过大变比精密减速机构驱动安装在机体上的测量器绕垂直轴做高分辨率的转动，同时垂直轴上安装的精密光栅度盘或编码盘的读数传感器随着测量器绕垂直轴做高分辨率的转动获得相应转动角度值，通过远程控制云台水平轴和垂直轴的联合转动，垂直轴和水平轴分别采用步进电机和大变比精密减速机构驱动，使得云台可根据需要实现上、下、左、右高分辨率的转动，实现测量器对被测目标点的精确瞄准；同时在垂直轴和水平轴上分别安装精密光栅度盘或编码盘和读数传感器进行角度测量，获得测量器精确瞄准被测目标点时绕垂直轴和水平轴作左、右、上、下运动所转过的角度数据;所述的云台的垂直轴和水平轴正交且安装测量器时其轴心线置于正交点上，调整安装在垂直轴上的精密光栅度盘或编码盘，使精密光栅度盘或编码盘的零度角方向与测量器的轴心线在同一垂直面上，调整安装在水平轴上的精密光栅度盘或编码盘，使精密光栅度盘或编码盘的零度角方向与测量器的轴心线在同一水平面上，完成测量器的轴心线在水平面和垂直面上的精密光栅度盘或编码盘零度角设置;通过云台水平轴和垂直轴上精密光栅度盘或编码盘零度角设置，建立了云台坐标原点的三维坐标系作为测量时相对三维坐标系;通过上述零度角设置，建立起安装在云台上测量器的轴心线与垂直轴和水平轴正交点相交点在测量时相对三维坐标系或利用坐标定位仪将测量器轴心线与垂直轴和水平轴正交点相交点的三维绝对坐标值测出，以此作为测量时相对三维坐标系的原点。在监控客户端通过网络对经过零度角设置的云台及安装在云台上的测量器进行远程操控，使得测量器精确瞄准被测目标点;云台在测量时相对三维坐标系，使得云台在非整平、对中、量高安装状态下进行三维空间测量时，在所建立的测量时相对三维坐标系空间，通过远程控制云台及测量器，测出测量原点到被测目标点的距离以及相应的角度值，算出被测点相对于测量时相对三维坐标系的相对三维坐标值;所述的控制模块完成各种信号的编解码，包括a.、接受远程监控客户端通过摄像机对被测目标进行图像采集寻找目标点的指令；b、接受远程监控客户端控制云台的各种运动的指令；c、接受远程监控客户端精确瞄准目标点的定位指令；d、接收来自测量器所测得的至被检测目标点的距离数据；e、接收水平轴和垂直轴上精密光栅度盘或编码盘通过读数传感器传来的角度数据;所述的控制模块使得安装在云台上测量器精确瞄准被测目标点A，根据测量器测出测量原点到被测点A的距离a，以及通过精密光栅度盘或编码盘获得的相对于测量时相对三维坐标系的方位角算出A点在相对于测量时相对三维坐标系空间的三维坐标值；同样，云台中的控制模块接收远程监控客户端指令，使得安装在云台上测量器精确瞄准被测目标点B，根据测量器测出测量原点到被测点B的距离b，以及通过精密光栅度盘或编码盘获得的相对于测量时相对三维坐标系的方位角算出B点在相对于测量时相对三维坐标系空间的三维坐标值；根据测量所得到A、B两点的相对三维坐标值，算出A、B两点间的距离值L。

与现有技术比较，本发明提供一种在非整平、对中、量高状态下实现三维空间控制测量的云台和方法，并能够实现远程控制测量:本发明由于建立了云台坐标原点在测量时相对三维坐标系，使得云台在非整平、对中、量高安装状态下进行三维空间测量时，在所建立的测量时相对三维坐标系上测出测量原点到被测目标点的距离以及相应的角度值，就可以算出被测点相对于测量时相对三维坐标系的相对三维坐标值，通过控制模块实现距离测量、角度测量、以及面积测量和体积测量等。本发明的云台垂直轴和水平轴分别采用步进电机和大变比精密减速机构驱动，在垂直和水平轴上分别安装精密光栅度盘（或编码盘）和读数传感器进行角度测量，使得云台可根据需要实现上、下、左、右高分辨率的转动，可以精确获得转轴上、下、左、右运动所转过的角度数据，通过采用大变比精密减速机构和细分电路使得光栅度盘最小角度分辨率提高到0.001°以上,使得测量器（如微波测距仪、光电测距仪等）能轻松精确瞄准任意目标点，能够实现远程对三维空间测角、测边、测三维坐标等测量进而实现面积测量、体积测量等。

附图说明

图1是本发明的云台结构示意图;

图2是本发明一种远程测距系统的测距示意图（带服务端）;

图3是本发明一种远程测距系统的测距示意图。

图中数字说明

001--水平轴驱动步进电机、 002—第一大变比精密减速机构、 003--测量器、

004--精密光栅度盘（或编码盘）、005--垂直轴驱动步进电机、 007--精密光栅度盘（或编码盘）、006--第二大变比精密减速机构、008--控制模块。

具体实施方法

下面参照附图对本发明进行进一步说明。

本发明所述的方法依靠远程测距系统及其云台,所述的远程测距系统中包括远程监控客户端，云台和安装在其上的测量器（如微波测距仪、光电测距仪等）（如微波、光电测距仪）、摄像机：远程监控客户端接收并显示远程现场传来的视频和数据，控制远程监控和检测终端的云台运动，使得测量器精确瞄准被测定的目标点；如图1所示，所述的云台为一种垂直轴线和水平轴线正交的二维转动精密机械装置，可分别绕垂直轴和水平轴作旋转运动,所述垂直轴线和水平轴线正交于测量器（如微波测距仪、光电测距仪等）轴心线，水平轴线与云台底面平行，垂直轴线与云台底面垂直，摄像机安装于测量器（如微波测距仪、光电测距仪等）正上方，中轴线对齐；所述的云台设有水平驱动步进电机、垂直步进电机、水平光栅度盘（或编码盘）、垂直光栅度盘（或编码盘）、控制模块、测量器、摄像机、大变比精密减速机构以及机座、机体等, 水平驱动步进电机001直接驱动大变比精密减速机构002，大变比精密减速机构002固定在云台机体上，大变比精密减速机构002的驱动轴与云台水平轴连接，云台水平轴固定在测量器安装座上，在测量器安装座的另一端水平轴上安装精密光栅度盘（或编码盘）004，其读数传感器固定在机体上。同样，垂直轴驱动步进电机005直接驱动大变比精密减速机构006，大变比精密减速机构006固定在云台机体上，大变比精密减速机构006的驱动轴与固定在云台底座上的垂直轴连接；精密光栅度盘（或编码盘）007安装在垂直轴上，其读数传感器固定在与垂直轴配合的转动套上。由控制模块008接收远程监控客户端的检测指令控制水平轴驱动步进电机001通过大变比精密减速机构002驱动安装在机体上的测量器（如微波测距仪、光电测距仪等） 003绕水平轴做高分辨率的上下转动，同时水平轴上安装的精密光栅度盘（或编码盘）004随着测量器003绕水平轴做高分辨率的上下转动获得相应转动角度值；控制模块008同时接收远程监控客户端的检测指令控制垂直轴驱动步进电机005通过大变比精密减速机构006驱动安装在机体上的测量器003绕垂直轴做高分辨率的转动，同时垂直轴上安装的精密光栅度盘（或编码盘）007的读数传感器随着测量器003绕垂直轴做高分辨率的转动获得相应转动角度值，通过远程控制云台水平轴和垂直轴的联合转动，垂直轴和水平轴分别采用步进电机和大变比精密减速机构驱动，通过大变比精密减速机构（减速比达51:1）和控制模块上的细分电路（200细分）使得控制云台的最小角度分辨率提高到0.001°以上，使得云台可根据需要实现上、下、左、右高分辨率的转动，实现测量器（如微波测距仪、光电测距仪等）对被测目标点的轻松精确瞄准；同时在垂直轴和水平轴上分别安装精密光栅度盘（或编码盘）和读数传感器进行角度测量，可以精确获得测量器（如微波测距仪、光电测距仪等）精确瞄准被测目标点时绕垂直轴和水平轴作左、右、上、下运动所转过的角度数据。所述的云台上控制模块完成以下各种信号的编解码: 包括a、接受远程监控客户端通过摄像机对被测目标进行图像采集寻找目标点的指令；b、接受远程监控客户端控制云台的各种运动的指令；c、接受远程控监控客户端精确瞄准目标点的定位指令；d、接收来自测量器（如微波测距仪、光电测距仪等）所测得的至被检测目标点的距离数据；e、接收水平轴和垂直轴上精密光栅度盘（或编码盘）通过读数传感器传来的角度数据,根据接收的距离及角度数据进行函数计算，得出被测目标点的相对三维坐标值，进而可实现距离测量、角度测量、以及面积测量和体积测量等。为保证在非整平、对中、量高状态下实现三维空间测量的精确，本云台的垂直轴和水平轴正交且安装测量器（如微波测距仪、光电测距仪等）时应保证其轴心线置于正交点上，并对水平轴和垂直轴上精密光栅度盘（或编码盘）进行零度角设置。通过云台水平轴和垂直轴上精密光栅度盘（或编码盘）零度角设置，建立了云台坐标原点的三维坐标系作为测量时相对三维坐标系。在云台上安装测量器（如微波测距仪、光电测距仪等）时，调整测量器的测量轴心线与云台的垂直轴线垂直，调整测量器的测量轴心线与云台的水平轴线垂直，保证云台的垂直轴线和水平轴线正交于测量器的轴心线；在此状态下，调整安装在垂直轴上的精密光栅度盘（或编码盘），使精密光栅度盘（或编码盘）的零度角方向与测量器的轴心线在同一垂直面上，调整安装在水平轴上的精密光栅度盘（或编码盘），使精密光栅度盘（或编码盘）的零度角方向与测量器的轴心线在同一水平面上，完成测量器的轴心线在水平面和垂直面上的精密光栅度盘（或编码盘）零度角设置。

通过上述零度角设置，建立起安装在云台上测量器（如微波测距仪、光电测距仪等）的轴心线与垂直轴和水平轴正交点相交点（即云台坐标原点）在测量时相对三维坐标系（即x=0，y=0，z=0）或利用坐标定位仪将测量器（如微波测距仪、光电测距仪等）轴心线与垂直轴和水平轴正交点相交点（即云台坐标原点）的三维绝对坐标值测出（x=m，y=n，z=p），以此作为测量时相对三维坐标系的原点。由监控者在监控客户端通过网络对经过零度角设置的云台及安装在云台上的测量器（如微波测距仪、光电测距仪等）进行远程操控，使得测量器轻松精确瞄准被测目标点。由于建立了云台在测量时相对三维坐标系，使得云台在非整平、对中、量高安装状态下进行三维空间测量时，在所建立的测量时相对三维坐标系空间，通过远程控制云台及测量器，测出测量原点到被测目标点的距离以及相应的角度值，就可以算出被测点相对于测量时相对三维坐标系的相对三维坐标值，通过控制模块可以实现：通过远程控制在非整平、对中、量高的状态下安装的云台，实现对三维空间测角、测边、测三维坐标等测量，进而实现面积测量、体积测量等。

图2为本发明一种远程测距系统的测距示意图（带服务端）。如图2所示，该远程测距系统中包括控制平台，远程监控客户端，云台和安装在其上的测量器（如微波测距仪、光电测距仪等）、摄像机。控制平台其功能包括：管理功能、控制指令的转发、视频存储和转发、实时测得数据存储、远程监控和检测终端的接入以及监控客户端的接入。远程监控客户端接收并显示远程现场传来的视频和数据，控制远程监控和检测终端的云台运动，使得测量器轻松精确瞄准被测定的目标点。

云台中的控制模块接收远程监控客户端指令，使得安装在云台上测量器（如微波测距仪、光电测距仪等）精确瞄准被测目标点A，根据测量器测出测量原点到被测点A的距离a，以及通过精密光栅度盘（或编码盘）获得的相对于测量时相对三维坐标系的方位角就可算出A点在相对于测量时相对三维坐标系空间的三维坐标值（x_A、y_A、z_A）；同样方法，云台中的控制模块接收远程监控客户端指令，使得安装在云台上测量器（如微波测距仪、光电测距仪等）轻松精确瞄准被测目标点B，根据测量器测出测量原点到被测点B的距离b，以及通过精密光栅度盘（或编码盘）获得的相对于测量时相对三维坐标系的方位角就可算出B点在相对于测量时相对三维坐标系空间的三维坐标值（x_B、y_B、z_B）；通过控制模块中嵌入应用几何学、微分和积分等方法编写的计算程序，根据测量所得到A、B两点的相对三维坐标值，就可以算出A、B两点间的距离值L。以此类推，可以测出相应的各被测目标点的坐标值，根据需要算出距离、面积、体积。

图3为本发明一种远程测距系统的测距示意图。如图3所示，该远程测距系统中包括远程监控客户端，云台和安装在其上的测量器（如微波测距仪、光电测距仪等）（如微波、光电测距仪）、摄像机。远程监控客户端接收并显示远程现场传来的视频和数据，控制远程监控和检测终端的云台运动，使得测量器精确瞄准被测定的目标点。

云台中的控制模块接收远程监控客户端指令，使得安装在云台上测量器（如微波测距仪、光电测距仪等）精确瞄准被测目标点A，根据测量器测出测量原点到被测点A的距离a，以及通过精密光栅度盘（或编码盘）获得的相对于测量时相对三维坐标系的方位角就可算出A点在相对于测量时相对三维坐标系空间的三维坐标值（x_A、y_A、z_A）；同样方法，云台中的控制模块接收远程监控客户端指令，使得安装在云台上测量器（如微波测距仪、光电测距仪等）精确瞄准被测目标点B，根据测量器测出测量原点到被测点B的距离b，以及通过精密光栅度盘（或编码盘）获得的相对于测量时相对三维坐标系的方位角就可算出B点在相对于测量时相对三维坐标系空间的三维坐标值（x_B、y_B、z_B）；根据测量所得到A、B两点的三维坐标值，就可以算出A、B两点间的距离值L。以此类推，可以测出相应的各被测目标点的坐标值，根据需要算出距离、面积、体积。

Claims

1.在非整平、对中、量高状态下实现三维空间测量方法,其特征在于，所述的方法依靠远程测距系统及其云台,所述的远程测距系统中包括远程监控客户端，云台和安装在其上的测量器、摄像机：远程监控客户端接收并显示远程现场传来的视频和数据，控制远程监控和检测终端的云台运动，使得测量器精确瞄准被测定的目标点；所述的云台为一种垂直轴线和水平轴线正交的二维转动精密机械装置，可分别绕垂直轴和水平轴作旋转运动,水平轴线与云台底面平行，垂直轴线与云台底面垂直，摄像机安装于测量器正上方，中轴线对齐;所述的云台设有水平驱动步进电机、垂直步进电机、水平光栅度盘或编码盘、垂直光栅度盘、控制模块、测量器、摄像机、大变比精密减速机构以及机座、机体; 水平驱动步进电机直接驱动大变比精密减速机构，大变比精密减速机构固定在云台机体上，大变比精密减速机构的驱动轴与云台水平轴连接，云台水平轴固定在测量器安装座上，在测量器安装座的另一端水平轴上安装精密光栅度盘或编码盘，其读数传感器固定在机体上,同样，垂直轴驱动步进电机直接驱动大变比精密减速机构，大变比精密减速机构固定在云台机体上，大变比精密减速机构的驱动轴与固定在云台底座上的垂直轴连接；精密光栅度盘或编码盘安装在垂直轴上，其读数传感器固定在与垂直轴配合的转动套上;控制模块接收远程监控客户端的检测指令控制水平轴驱动步进电机通过大变比精密减速机构驱动安装在机体上的测量器绕水平轴做高分辨率的上下转动，同时水平轴上安装的精密光栅度盘或编码盘随着测量器绕水平轴做高分辨率的上下转动获得相应转动角度值；控制模块同时接收远程监控客户端的检测指令控制垂直轴驱动步进电机通过大变比精密减速机构驱动安装在机体上的测量器绕垂直轴做高分辨率的转动，同时垂直轴上安装的精密光栅度盘或编码盘的读数传感器随着测量器绕垂直轴做高分辨率的转动获得相应转动角度值，通过远程控制云台水平轴和垂直轴的联合转动，垂直轴和水平轴分别采用步进电机和大变比精密减速机构驱动，使得云台可根据需要实现上、下、左、右高分辨率的转动，实现测量器对被测目标点的精确瞄准；同时在垂直轴和水平轴上分别安装精密光栅度盘或编码盘和读数传感器进行角度测量，获得测量器精确瞄准被测目标点时绕垂直轴和水平轴作左、右、上、下运动所转过的角度数据;所述的云台的垂直轴和水平轴正交且安装测量器时其轴心线置于正交点上，在此状态下，调整安装在垂直轴上的精密光栅度盘或编码盘，使精密光栅度盘或编码盘的零度角方向与测量器的轴心线在同一垂直面上，调整安装在水平轴上的精密光栅度盘或编码盘，使精密光栅度盘或编码盘的零度角方向与测量器的轴心线在同一水平面上，完成测量器的轴心线在水平面和垂直面上的精密光栅度盘或编码盘零度角设置;通过云台水平轴和垂直轴上精密光栅度盘或编码盘零度角设置，建立了云台坐标原点的三维坐标系作为测量时相对三维坐标系;通过上述零度角设置，建立起安装在云台上测量器的轴心线与垂直轴和水平轴正交点相交点在测量时相对三维坐标系或利用坐标定位仪将测量器轴心线与垂直轴和水平轴正交点相交点的三维绝对坐标值测出，以此作为测量时相对三维坐标系的原点;在监控客户端通过网络对经过零度角设置的云台及安装在云台上的测量器进行远程操控，使得测量器精确瞄准被测目标点;云台在非整平、对中、量高安装状态下进行三维空间测量时，在所建立的测量时相对三维坐标系空间，通过远程控制云台及测量器，测出测量原点到被测目标点的距离以及相应的角度值，算出被测点相对于测量时相对三维坐标系的相对三维坐标值;所述的控制模块完成各种信号的编解码，包括a.、接受远程监控客户端通过摄像机对被测目标进行图像采集寻找目标点的指令；b、接受远程监控客户端控制云台的各种运动的指令；c、接受远程监控客户端精确瞄准目标点的定位指令；d、接收来自测量器所测得的至被检测目标点的距离数据；e、接收水平轴和垂直轴上精密光栅度盘或编码盘通过读数传感器传来的角度数据;所述的控制模块使得安装在云台上测量器精确瞄准被测目标点A，根据测量器测出测量原点到被测点A的距离a，以及通过精密光栅度盘或编码盘获得的相对于测量时相对三维坐标系的方位角算出A点在相对于测量时相对三维坐标系空间的三维坐标值；同样，云台中的控制模块接收远程监控客户端指令，使得安装在云台上测量器精确瞄准被测目标点B，根据测量器测出测量原点到被测点B的距离b，以及通过精密光栅度盘或编码盘获得的相对于测量时相对三维坐标系的方位角算出B点在相对于测量时相对三维坐标系空间的三维坐标值；根据测量所得到A、B两点的相对三维坐标值，算出A、B两点间的距离值L。