CN103644878B - 一种室内空间测量与定位系统中的相对定向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内空间测量与定位系统、标准杆及相对定向方法，所述标准杆的两端分别安装第一接收器和第二接收器，所述标准杆的中部安装有信号处理模块和WIFI无线发送模块，在所述标准杆的杆体内通过信号线缆将所述第一和第二接收器与所述信号处理模块相连接。利用本发明提供的标准杆来标定室内空间测量与定位系统时，可以由一个人在几分钟内完成系统的定向标定，并且过程中标准杆可以在测量场内任意摆放和移动，操作简单，标定效率高，标定精度高。

Description

一种室内空间测量与定位系统中的相对定向方法

技术领域

本发明属于大尺寸空间三维坐标测量技术领域，具体涉及一种室内空间测量与定位系统、标准杆及相对定向方法。

背景技术

为了获得大型装备或系统制造过程中的几何特征尺寸、空间位置信息，工业上会使用一些大尺寸的测量手段。室内空间测量与定位系统是一种针对航天、航空、造船等大型制造业测量需求的多基站网络式测量定位系统，可实现大尺寸空间三维坐标高精度自动化测量。室内空间测量与定位系统在使用前，需要标定出系统中各基站自身坐标系之间的相对关系。标定方法的高效性、准确性直接影响着系统的工作效率和测量精度。

现阶段，一种是通过大量空间中已知控制点标定系统中各个测站之间坐标系的相对定向，首先利用激光跟踪仪或三维龙门坐标测量机等设备在测量场内建立高精度的坐标已知控制点，然后将接收器安装在控制点来标定室内空间测量与定位系统中各基站之间的相对关系；另一种是采用标准杆来标定，标定中要求标准杆保持竖直，并测量出标准杆与基站之间的距离，可以解算出室内空间测量与定位系统中各基站之间的相对关系。这两种方法虽然都可以实现室内定位系统的坐标系标定，但是均需要其他辅助设备，并且受到测量场地环境的限制，标定过程复杂，效率低。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明提供一种室内空间测量与定位系统、标准杆及相对定向方法，能够快速方便地标定室内空间测量与定位系统中各基站自身坐标系之间相对关系，解决当前系统标定效率低下的问题。

本发明提出的一个技术方案如下：

一种用于室内空间测量与定位的标准杆，其特征在于，所述标准杆的两端分别安装第一接收器和第二接收器，所述标准杆的中部安装有信号处理模块和WIFI无线发送模块，在所述标准杆的杆体内通过信号线缆将所述第一和第二接收器与所述信号处理模块相连接。

本发明提出的另一个技术方案如下：

一种室内空间测量与定位系统，其特征在于，包括所述的用于室内空间测量与定位的标准杆、两台或多台基站、接收机和数据处理计算机。

本发明提出的另一个技术方案如下：

一种应用于所述室内空间测量与定位系统中的相对定向方法，其特征在于，所述相对定向方法的步骤如下：

1）标定出所述标准杆上所述第一接收器和第二接收器之间的距离；

2）布设好各基站，并开启各基站；

3）将所述标准杆在测量空间内任意摆放，保证两端接收器可以在至少4个位置同时接收到任意两台基站的信号光束；

4）利用标定算法解算系统中各基站自身坐标系之间相对关系。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：利用本发明提供的标准杆来标定室内空间测量与定位系统时，可以由一个人在几分钟内完成系统的定向标定，并且过程中标准杆可以在测量场内任意摆放和移动，操作简单，标定效率高，标定精度高。

附图说明

图1为本发明的室内空间测量与定位系统中的基站和接收机的示意图；

图2为本发明的室内空间测量与定位系统中的的基站、标准杆和数据处理计算机的示意图；

图3为本发明的标准杆的结构示意图。

附图标记说明：

1- 基站 2-接收机 3-标准杆

4-数据处理计算机 5-无线信号 31-第一接收器

32-第二接收器 33-标准杆杆体 34-信号处理模块

35-WIFI无线发送模块 36-信号线缆

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明的室内空间测量与定位系统包括两台或多台基站1、接收机2、 标准杆3和数据处理计算机4。所述标准杆3、接收机2分别与所述两台或多台基站1无线连接，所述标准杆3与所述数据处理计算机4无线连接。

如图3所示，本发明的所述标准杆3的两端分别安装第一接收器31和第二接收器32，所述标准杆3的中部安装有信号处理模块34和WIFI无线发送模块35，在所述标准杆杆体33内通过信号线缆36将所述第一和第二接收器31、32与所述信号处理模块34相连接。第一和第二接收器31、32可以全方位接收基站发射的旋转光束，标准杆还包含有电池，因而无需外部供电。所述第一和第二接收器31、32为APD（雪崩光电二极管）探测器拼接而成的阵列，可全方位接受基站的信号光，所述第一和第二接收器31、32安装在光电转换和信号调制电路模块（图中未示出）上，该光电转换和信号调制电路模块负责将扫过第一和第二接收器31、32的光信号转换成电信号脉冲。

优选地，所述标准杆杆体33为管状结构，由殷钢或碳纤维制成。

所述信号处理模块34包括FPGA和DSP。信号处理模块34对第一和第二接收器31、32的数据进行处理后，通过所述WiFi无线模块35发送无线信号5给数据处理计算机4，处理过程具体为：信号光扫过APD探测器，通过光电转换及信号调制电路，产生一系列脉冲信号，后续信息处理采用“FPGA+DSP”的处理方式，实现对该脉冲信号上升沿和下降沿时刻的精确提取，并将时间信息通过无线WiFi模块35上传至数据处理计算机4。

所述WiFi无线模块35，优选深圳新力维科技有限公司所提供的型号为WM001S的WiFi无线模块。

所述基站1工作时高速旋转，同时发射出两束扇形光束、一束零位信号光束。

所述接收机2采用高灵敏度APD探测器阵列接收来自基站1的光信息，并通过进行光电转化，信号调理、信息提取及无线数据传输，将数据信息传输给所述数据处理计算机4。

本发明的具体工作步骤如下：

1）标定出所述标准杆上所述第一接收器和第二接收器之间的距离；

2）布设好各基站，并开启各基站；

3）将所述标准杆在测量空间内任意摆放，保证两端接收器可以在至少4个位置同时接收

到任意两台基站的信号光束；

4）利用标定算法解算系统中各基站自身坐标系之间相对关系。

标定算法的具体实现步骤（以标定两个基站自身坐标系之间相对关系为例）：

1）计算接收机在两基站自身坐标系下的方位角及俯仰角分别为(α_i1,β_i1)和(α_i2,β_i2)；

2）计算接收机在两基站自身坐标系下的方向向量分别为(μ_i1,υ_i1,ω_i1)和(μ_i2,υ_i2,ω_i2)，其中i＝1～n；

$\left\{\begin{array}{cc}\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}_{i1}=\cos a_{\mathrm{il}}\cos {\mathrm{\β}}_{\mathrm{il}}\\ {\mathrm{\υ}}_{i1}=\sin a_{\mathrm{il}}\cos {\mathrm{\β}}_{\mathrm{il}}\\ {\mathrm{\ω}}_{i1}=\sin {\mathrm{\β}}_{\mathrm{il}}\end{array}& \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}_{i2}=\cos a_{i2}\cos {\mathrm{\β}}_{i2}\\ {\mathrm{\υ}}_{i2}=\sin a_{i2}\cos {\mathrm{\β}}_{i2}\\ {\mathrm{\ω}}_{i2}=\sin {\mathrm{\β}}_{i2}\end{array}\right.\end{array}\right.$

3）根据接收机在两个基站自身坐标系下的对应关系，可以建立方程组

(μ_i1,υ_i1,ω_i1)Q(μ_i2,υ_i2,ω_i2)^T＝0，通过迭代可以计算出对应关系矩阵Q；

4）对矩阵Q进行分解，使Q＝SR，其中

$\left.\begin{array}{cc}S=\left[\begin{array}{ccc}0& t_z& -t_y\\ -t_z& 0& t_x\\ t_y& -t_x& 0\end{array}\right]& R=\end{array}\left[\begin{array}{ccc}{r}_0& r_1& r_2\\ r_3& r_4& r_5\\ r_6& r_7& r_8\end{array}\right.\right]$

矩阵R表示两基站之间的旋转关系，矩阵S表示两基站之间的平移关系，则两基站自身坐标系之间的相对关系矩阵M为，

$M=\begin{array}{}\left[\begin{array}{cccc}{r}_0& r_1& r_2& {\mathrm{\σt}}_x\\ r_3& r_4& r_5& {\mathrm{\σt}}_y\\ r_6& r_7& r_8& {\mathrm{\σt}}_z\end{array}\right]\end{array}$

其中σ为未知量；

5）标准杆两端接收器之间的距离为L，在测量场内某一位置，设1#接收器在两基站自身坐标系下的坐标分别为(x₁₁,y₁₁,z₁₁)和(x₁₂,y₁₂,z₁₂)，2#接收器在两基站自身坐标系下的坐标分别为(x₂₁,y₂₁,z₂₁)和(x₂₂,y₂₂,z₂₂)，则有，

$\left\{\begin{array}{c}{(x_{11},y_{11},z_{11})}^T=M{(x_{12},y_{12},z_{12},1)}^T\\ {(x_{21},y_{21},z_{21})}^T=M{(x_{22},y_{22},z_{22},1)}^T\\ {(x_{11}-x_{21})}^2+{(y_{11}-y_{21})}^2+{(z_{11}-z_{21})}^2=L^2\end{array}\right.$

通过解方程组可以计算出σ，并求得两基站自身坐标系之间的相对关系矩阵M。

当标定多个基站之间的相对关系时，可利用此标定算法标定出基站两两之间的关系M_i，M_i为，

$M_i=\left[\begin{array}{cccc}{r}_{0i}& r_{1i}& r_{2i}& {\mathrm{\σt}}_{\mathrm{xi}}\\ r_{3i}& r_{4i}& r_{5i}& {\mathrm{\σt}}_{\mathrm{ui}}\\ r_{6i}& r_{7i}& r_{8i}& {\mathrm{\σt}}_{\mathrm{zi}}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

若i#基站与j#基站的相对关系矩阵M_i，j#基站与k#基站之间的相对关系矩阵M_k，则i#基站与k#基站之间的相对关系矩阵为M_iM_k，依此可以求出任意两个基站之间的相对关系。

利用本发明提供的标准杆来标定室内空间测量与定位系统时，可以由一个人在几分钟内完成系统的定向标定，并且过程中标准杆可以在测量场内任意摆放和移动，操作简单，标定效率高，标定精度高。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换而不脱离本发明技术方案的精神，其均应当涵盖本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (2)

1.一种室内空间测量与定位系统中的相对定向方法，所述室内空间测量与定位系统包括标准杆、两台或多台基站、接收机和数据处理计算机；其中，所述标准杆、接收机分别与所述两台或多台基站无线连接，所述标准杆与所述数据处理计算机无线连接，所述标准杆的两端分别安装第一接收器和第二接收器，所述标准杆的中部安装有信号处理模块和WIFI无线发送模块，在所述标准杆的杆体内通过信号线缆将所述第一和第二接收器与所述信号处理模块相连接，其特征在于，所述相对定向方法的步骤如下：

1)标定出所述标准杆上所述第一接收器和第二接收器之间的距离；

2)布设好各基站，并开启各基站；

3)将所述标准杆在测量空间内任意摆放，保证两端接收器可以在至少4个位置同时接收到任意两台基站的信号光束；

4)利用标定算法，根据接收机在两基站自身坐标系下的方位角及俯仰角，解算系统中各基站自身坐标系之间相对关系；

所述基站的数量为2个时，所述标定算法的步骤如下：

1)计算接收机在两基站自身坐标系下的方位角及俯仰角分别为(α_i1,β_i1)和(α_i2,β_i2)；

2)计算接收机在两基站自身坐标系下的方向向量分别为(μ_i1,υ_i1,ω_i1)和(μ_i2,υ_i2,ω_i2)，其中i＝1～n；

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}_{i1}={\mathrm{cos\α}}_{i1}{\mathrm{cos\β}}_{i1}\\ {\mathrm{\υ}}_{i1}={\mathrm{sin\α}}_{i1}{\mathrm{cos\β}}_{i1}\\ {\mathrm{\ω}}_{i1}={\mathrm{sin\β}}_{i1}\end{array}\right.& \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}_{i2}={\mathrm{cos\α}}_{i2}{\mathrm{cos\β}}_{i2}\\ {\mathrm{\υ}}_{i2}={\mathrm{sin\α}}_{i2}{\mathrm{cos\β}}_{i2}\\ {\mathrm{\ω}}_{i2}={\mathrm{sin\β}}_{i2}\end{array}\right.\end{array}$

3)根据接收机在两个基站自身坐标系下的对应关系，可以建立方程组(μ_i1,υ_i1,ω_i1)Q(μ_i2,υ_i2,ω_i2)^T＝0，通过迭代可以计算出对应关系矩阵Q；

4)对矩阵Q进行分解，使Q＝SR，其中

$\begin{array}{cc}S=\left[\begin{array}{ccc}0& t_z& -t_y\\ -t_z& 0& t_x\\ t_y& -t_x& 0\end{array}\right]& R=\left[\begin{array}{ccc}{r}_0& r_1& r_2\\ r_3& r_4& r_5\\ r_6& r_7& r_8\end{array}\right]\end{array}$

矩阵R表示两基站之间的旋转关系，矩阵S表示两基站之间的平移关系，则两基站自身坐标系之间的相对关系矩阵M为，

$M=\left[\begin{array}{cccc}{r}_0& r_1& r_2& {\mathrm{\σt}}_x\\ r_3& r_4& r_5& {\mathrm{\σt}}_y\\ r_6& r_7& r_8& {\mathrm{\σt}}_z\end{array}\right]$

其中σ为未知量；

5)标准杆两端的第一和第二接收器之间的距离为L，在测量场内某一位置，设第一接收器在两基站自身坐标系下的坐标分别为(x₁₁,y₁₁,z₁₁)和(x₁₂,y₁₂,z₁₂)，第二接收器在两基站自身坐标系下的坐标分别为(x₂₁,y₂₁,z₂₁)和(x₂₂,y₂₂,z₂₂)，则有，

$\left\{\begin{array}{c}{(x_{11},y_{11},z_{11})}^T=M{(x_{12},y_{12},z_{12},1)}^T\\ {(x_{21},y_{21},z_{21})}^T=M{(x_{22},y_{22},z_{22},1)}^T\\ {(x_{11}-x_{21})}^2+{(y_{11}-y_{21})}^2+{(z_{11}-z_{21})}^2=L^2\end{array}\right.$

通过解方程组可以计算出σ，并求得两基站自身坐标系之间的相对关系矩阵M。

2.如权利要求1所述的相对定向方法，当标定多个基站之间的相对关系时，可利用此标定算法标定出基站两两之间的关系M_i，M_i为，

$M_i=\left[\begin{array}{cccc}{r}_{0i}& r_{1i}& r_{2i}& {\mathrm{\σt}}_{xi}\\ r_{3i}& r_{4i}& r_{5i}& {\mathrm{\σt}}_{yi}\\ r_{6i}& r_{7i}& r_{8i}& {\mathrm{\σt}}_{zi}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

若i#基站与j#基站的相对关系矩阵M_i，j#基站与k#基站之间的相对关系矩阵M_k，则i#基站与k#基站之间的相对关系矩阵为M_iM_k，依此可以求出任意两个基站之间的相对关系。