CN104748679A - 一种基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量方法，该系统由扇面激光发射端、扇面激光接收端与任务计算机组成，其中扇面激光发射端包括扇面激光发射器（可发射绕其旋转轴旋转的扇面激光）、滑台、转台以及起始基准，扇面激光接收端即扇面激光接收器，设扇面激光发射器的位置为已知点，扇面激光接收器的位置为待测空间点。在测量过程中，扇面激光发射器于不同位置向四周发射出一束绕其旋转轴旋转的扇面激光，扇面激光接收器接收到该扇面激光并记下相关数据，传输至任务计算机，通过相关公式进行计算可得到扇面激光接收器的空间位置信息，进而得到待测空间点的三维坐标。本发明具有系统成本低、测量精度较高、系统搭建方便的优点，适用于各种对测量实时性要求较低，但测量精度要求较高的测量场所。

Description

一种基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量定位领域的空间点三维坐标测量方法，特别涉及一种基于角度测量的空间点三维坐标测量方法。

背景技术

测量定位技术是当前科技领域最前沿的技术之一，其更新换代速度不断加快，基于各种测量介质(如激光、无线信号等)的测量定位技术也层出不穷。若按其原理进行分类，可归纳总结为以下4种：基于测距的测量定位原理；基于测角的测量定位原理；基于信号强度的测量定位原理；基于多种方式混合的测量定位原理。其中以激光为测量介质的测量定位技术主要应用了测距与测角或两种方式相结合的测量定位原理，在国民经济建设的大部分领域都得到了广泛应用。

20世纪50年代以来，随着激光测量技术的不断发展，各种新型的激光测量定位技术不断出现，根据上文的结论，按其测量定位原理可分为三类：基于激光测距的测量定位技术；基于激光测角的测量定位技术；基于激光测距、测角相结合的测量定位技术。

基于激光测距的测量定位技术为激光雷达测量定位技术，激光雷达测距的原理分为二种,一是基于测量激光的飞行时间,二是相位差的测量方法。由于光的速度很快,基于测量时间的方法一般只适用于很大距离的测量,分辨率较低。相位差法的精度较高,但根据发射和接收信号之间的相位差测量距离,只能测量出半个波长内的距离值,故需要采用几种不同波长和频率的激光来测量相位差,从而求出被测距离。激光雷达的调制频率高达100GHz,因此测量精度较高。

基于激光测角的测量定位技术为激光经纬仪测量定位技术，激光经纬仪测量系统是由多台(至少2台)高精度激光经纬仪构成的空间角度前方交会测量系统,是在工业测量领域应用最早和最多的一种系统,激光经纬仪测量系统一般采用手动照准目标,经纬仪自动读数,逐点观测的方法,自动化程度不如球坐标测量系统,但在几米到十几米测量范围内的坐标精度可达到0.02mm～0.05mm，甚至超过激光跟踪测量系统的精度。

基于激光测距、测角相结合的测量定位技术主要包括激光全站仪测量定位技术、激光跟踪测量定位技术。由于应用了激光测距与激光测角相结合的测量定位原理，根据空间解析几何原理，若待测目标点与激光全站仪的距离、角度关系已知，即可计算出待测目标点的空间位置。激光全站仪的测距原理是由全站仪光源发出光强随高频信号变化的调制光，在到达合作棱镜目标(待测点)反射回全站仪后，通过测量调制光在待测距离上往返传播的相位差来解算距离；测角原理是通过光电编码器记录全站仪瞄准镜在水平和竖直方向上旋转角度的数字化信息，从而获取激光全站仪与待测点之间的相对角度关系。激光跟踪测量定位技术的原理与激光全站仪类似，仅仅是测距的方式(单频激光干涉测距)、跟踪方式及仪器的结构设计不同而已。

本发明结合光学、电子以及计算机技术，主要致力于解决空间点的定位问题，即对其三维坐标进行测量的问题。本发明与以往的激光测量定位技术相比，具有成本低、自动化程度较高、抗障碍物遮挡能力强的优点。适合于成本控制较为严格、自动化程度需求较高、障碍物遮挡较多的测量场所。

鉴于以上所述情况，本发明人经过不断的研究、设计，终于创造性的设计出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的目的在于，在已有激光测量定位技术的基础上，综合考虑各种因素，提出一种成本低、自动化程度较高、抗障碍物遮挡能力强的空间点激光测量定位技术的原理。现有的激光测量定位技术都有其一定的局限性，激光雷达测量定位技术在远距离的情况下测量定位精度大大降低，只适合小空间的测量，并且其成本极高，不适用于大部分测量定位场合。激光经纬仪测量定位技术的自动化程度较低，不能适应大部分测量环境自动化的要求。激光全站仪与激光跟踪测量定位技术具有极高的自动化程度，但其缺点是容易受到障碍物遮挡。

本发明的目的在于，提出一种新的扇面激光旋转角度的测量原理，使用扇面激光作为测量介质，运用光学、电子和计算机知识，对扇面激光绕某旋转轴从初始基准旋转至待测空间点(扇面激光接收器)转过的角度进行测量。

本发明的目的在于，提出一种新的扇面激光发射器位置及位姿变动方法，运用高精度滑台与高精度转台，辅以相关的控制科学知识，对扇面激光发射器的移动量以及旋转量进行精确控制。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案实现的。依据本发明提出的基于旋转扇面激光测角的空间点测量定位系统，包括扇面激光发射端、扇面激光接收端和任务计算机，其中扇面激光发射端包括扇面激光发射器、滑台、转台和起始基准，扇面激光接收端包括扇面激光接收器、计时模块，任务计算机处理来自计时模块的时间节点数据。其中，扇面激光发射器安装在转台上，扇面激光发射器旋转轴线与转台旋转轴线垂直相交。转台安装在滑台上，确保转台旋转轴线与滑台移动方向垂直。在滑台的固定位置安装一起始基准，所谓起始基准亦为一扇面激光接收器，能感应到扇面激光发射器发射的旋转扇面激光，起始基准与权利要求9中所述的坐标系固联，其作用是为旋转扇面激光的指示起始点，通过计算扇面激光从起始基准旋转至扇面激光接收器(即待测空间点)的时间，进而计算得起始点与待测点之间的角度，从而推出空间待测点与坐标系之间的关系。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案实现的。首先扇面激光发射器在初始位置旋转发射扇面激光，将此时扇面激光发射器所绕的旋转轴线定义为Z轴，与滑台平面的交点定义为O点，转台在滑台上的移动方向定义为X轴，将此0-XYZ坐标系定义为全局坐标系，所测待测点的三维坐标即相对于该坐标系而言。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案实现的。在位置1发射一束扇面激光，在此位置时其旋转轴线与全局坐标系中的Z轴重叠，该扇面激光旋转依次经过起始基准与待测点，通过计时模块所测得的扇面激光旋转时间，间接测得起始基准与待测点之间的角度。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案实现的。在完成位置1的测量后，扇面激光发射器在滑台的作用下，沿X轴移动到位置2，在此位置时其旋转轴线与全局坐标系中的Z轴平行，该扇面激光旋转依次经过起始基准与待测点，通过计时模块所测得的扇面激光旋转时间，间接测得起始基准与待测点之间的角度。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案实现的。在完成位置2的测量后，扇面激光发射器在转台的作用下，在位置2做一定角度的旋转，使该扇面激光发射器的旋转轴线与全局坐标系中的Z轴成一定夹角，该扇面激光旋转 依次经过起始基准与待测点，通过计时模块所测得的扇面激光旋转时间，间接测得起始基准与待测点之间的角度。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案实现的。根据空间几何的基本原理，空间中某一未知点可由三个平面交汇确定。位置1发射的一束扇面激光与位置2发射的两束扇面激光交汇到扇面激光接收端中的扇面激光接收器，将代表这三束扇面激光的方程式列出并联立，所解得的结果即为扇面激光接收器的空间坐标值，即扇面激光接收器所代表的待测空间点坐标值。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

图1是本发明系统图

图2是本发明所发射第一束扇面激光

图3是本发明所发射第二束扇面激光

图4是本发明所发射第三束扇面激光

图5是本发明测量定位的数学原理图

图中：

1：扇面激光发射器           2：高精度滑台

3：高精度转台               4：起始基准

5：扇面激光接收器           6：计时模块

7：任务计算机 

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的空间点三维坐标测量系统及其方法的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明,当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

本发明的应用实例是对待测空间点的三维坐标进行无接触式测量，如图1、图2、图3、图4所示，扇面激光发射端包括扇面激光发射器、高精度滑台、高精度转台以及起始基准，扇面激光接收端包括扇面激光接收器、计时模块，其中，

扇面激光发射端置于某处，其所定义的0-XYZ坐标系与大地空间坐标系的转换关系已知，扇面激光接收器代表待测空间点，在扇面激光发射端所发射的扇面激光作用范围内。如图2所示，扇面激光发射器在位置1发射出一束旋转的扇面激光，绕Z轴转动。通过计时模块记录该扇面激光从起始基准到待测空间点的旋转时间t₁。如图3所示，扇面激光发射器在高精度滑台作用下移动距离d到达位置2，在位置2发射出一束旋转的扇面激光，绕平行于Z轴的旋转轴转动。通过计时模块记录该扇面激光从起始基准到待测空间点的旋转时间t₂。如图4所示，扇面激光发射器在位置2由高精度转台作用旋转一定角度，使其旋转轴与位置2 平行于Z轴的旋转轴形成夹角γ，此时其发射出一束旋转的扇面激光，绕其旋转轴转动。通过计时模块记录该扇面激光从起始基准到待测空间点的旋转时间t₃。由于扇面激光发射器旋转头旋转速度较快，在测量过程中可多次测得旋转时间t并取其平均值，使测得的t₁、t₂、t₃更接近实际值。

根据空间解析几何的基本原理，在空间中两个位置发射三束绕不同旋转轴的扇面激光，其交汇点可以通过联立这三束扇面激光所在的平面方程解得。

根据上述测得的扇面激光旋转时间t₁、t₂、t₃(s)，在已知扇面激光发射器旋转头转速n(r/min)的情况下，可以对扇面激光发射器旋转头转过角度，设这三个旋转角度分别为α、β、θ，计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}=t_1\×\mathrm{\πn}/60\\ \mathrm{\β}=t_2\×\mathrm{\πn}/60\\ \mathrm{\θ}=t_3\×\mathrm{\πn}/60\end{array}\right.$

如图5所示，在计算得α、β、θ后，将三束扇面激光所在平面的方程联立，解之即可得到待测空间点的三维坐标值。方程组如下：

$\left\{\begin{array}{c}\cos \mathrm{\α}\·x+\sin \mathrm{\α}\·y=0\\ \cos \mathrm{\β}(x-\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\β}\·d)+\sin \mathrm{\β}(y-{\sin }^2\mathrm{\β}\·d)=0\\ \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\γ}(x-d)+\sin \mathrm{\θ}\·y-\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\γ}\·z=0\end{array}\right.$

解该三元一次方程，即可得出待测点在该坐标系下的空间坐标表达式。结果如下：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{{\cos }^2\mathrm{\β}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}+{\sin }^3\mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}-\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}}\·d\\ y=\frac{{\cos }^2\mathrm{\β}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}+{\sin }^3\mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}-\sin \mathrm{\β}-\cos \mathrm{\α}}\·d\\ z=\frac{\cos \mathrm{\γ}}{\sin \mathrm{\γ}}\·(z-1)\·\frac{\sin \mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\θ}}\·\·d\end{array}\right.$

若想最终测得空间待测点相对于空间大地坐标系的三维坐标值，需要将上文中求得的待测空间点三维坐标值化归到空间大地坐标系。根据坐标系转换原理，将待测空间点相对于O-XYZ坐标系的坐标值代入相应的转换公式，即可求得待测空间点相对于空间大地坐标系的坐标值。

上述如此结构构成的本发明空间点三维坐标测量系统及其方法的技术创新，对于现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。

如上所述是本发明的基本构思。但是，在本发明的技术领域内，只要具备最基本的知识，可以对本发明的其他可操作的实施例进行改进。在本发明中对实质性技术方案提出了专利保护请求，其保护范围应包括具有上述技术特点的一切变化方式。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术 内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (12)

1.一种基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量方法，其特征在于：包括扇面激光发射端(1)、扇面激光接收端(2)，其中，

--扇面激光发射端(1)，用于在不同位置发射出绕不同固定轴旋转的扇面激光，使扇面激光接收端能接受来自不同位置的扇面激光信号，形成扇面激光交汇，进而确定其位置。该扇面激光发射端包括：

--扇面激光发射器(2)，由匀速旋转电机、旋转供电装置、激光发射器、镜头组成，激光发射器所安放平台通过旋转供电装置与匀速旋转电机连接，使激光发射器绕电机旋转轴匀速旋转，在激光发射器光路上设置一柱面镜镜头，使其由线激光形成扇面激光。最终发射出一束绕扇面激光发射器旋转轴旋转的扇面激光。

--转台(3)，扇面激光发射器安装在转台上，使其能绕一个固定方向转动，从而使其发出的扇面激光能绕平行于图所示Y轴的轴线精确转动。

--滑台(4)，扇面激光发射器通过转台安放在滑台上，使其能沿图所示的X轴方向水平精确移动。

--起始基准(5)，该基准安装在滑台上，作为扇面激光旋转过程中的起始标识点，建立起待测扇面激光接收器与扇面激光发射端的关系。其实质上也是一个扇面激光接收器。

--扇面激光接收端(6)，感知扇面激光发射端发射出的扇面激光，并通过自身计时模块对两扇面激光的时间间隔计时，该扇面激光接收端主要包括：

--扇面激光接收器(7)，扇面激光接收器选用PIN作为敏感元件，当扇面激光扫过扇面激光接收器时其会产生一个电脉冲。

--计时模块(8)，计时模块与起始基准和待测的扇面激光接收器相连，具有计算相邻两个电脉冲时间间隔的作用。

--任务计算机(9)，接收来自计时模块的数据，对该数据进行处理，进而得到待测空间点的三维坐标。

2.根据权利要求1所述的基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量系统，其特征在于其所述的扇面激光发射端由扇面激光发射器、滑台、转台和起始基准组成，扇面激光发射器在滑台、转台的作用下能进行移动，可以在不同位置向四周空间发射绕其旋转轴旋转的扇面激光，照射到起始基准和扇面激光接收端使其产生电脉冲。

3.根据权利要求1所述的基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量系统，其特征在于其所述的扇面激光接收端由扇面激光接收器和计时模块组成，扇面激光接收器在接收到扇面激光发射器发射的扇面激光后，产生一个电脉冲并送入计时模块处理，而后计时模块将起始基准和扇面激光接收器产生电脉冲时的时间节点数据传至任务计算机。

4.根据权利要求1所述的基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量系统，其特征在于其所述的任务计算机，任务计算机接收来自计时模块后的时间节点数据后，对该数据进行处理，计算得到相应的时间间隔，进而得到激光发射器扇面激光扫过起始基准与扇面激光接收器时旋转过的角度。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量系统，其特征在于其所述的移动式扇面激光发射器，扇面激光发射器安放在高精度转台上，高精度转台安放在滑台上，这样就是激光发射器能沿一个方向精确移动，并绕垂直于该方向的轴线精确转动。

6.根据权利要求5所述的基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量系统，其特征在于扇面激光发射器的水平移动精度能达到1um，转动精度能达到5″。

7.根据权利要求6所述的基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量系统，其特征在于扇面激光发射器的旋转速度是精确恒定的，通过对其旋转时间的计时即可得到其旋转过的角度。

8.根据权利要求7所述的基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量系统，其特征在于其所述的扇面激光接收器代表空间中要测量的点，对其测量就代表了对空间中任意未知点的三维坐标的测量。

9.根据权利要求1所述的基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、构建坐标系，任何空间点位置的描述都是相对于某一空间坐标系而言，在测量开始之前，以扇面激光发射端为基准建立一个三维坐标系，以扇面激光发射器旋转轴与滑台所在平面的交点为坐标原点O，扇面激光发射器的轴线方向为Z轴，滑台移动方向为X轴正方向，转台的旋转方向为Y轴。

(2)、搭建系统，包括扇面激光发射端搭建与扇面激光接收端搭建，扇面激光接收端的扇面激光发射器安装在转台上，转台安装在滑台上，

(3)、启动扇面激光发射端，扇面激光发射器发射出一束绕其旋转轴旋转的扇面激光。

(4)、启动扇面激光接收端，扇面激光接收器接收来自扇面激光发射器的扇面激光，产生电脉冲并输入计时模块，由计时模块记录数据。

(5)、启动任务计算机，记录并处理来自计时模块的相关数据。

10.根据权利要求9所述的基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量方法，其特征在于所述的空间点三维坐标测量原理为多束扇面激光交汇原理，扇面激光发射器在坐标原点O发射第1束绕其旋转轴的扇面激光，而后在滑台上沿X轴移动至另一位置，发射第2束旋转扇面激光，扇面激光发射器在转台作用下姿态发生变化，发射第3束旋转扇面激光。以上3束扇面激光交汇到待测空间点(即扇面激光接收器)，即可确定其空间位置。

11.根据权利要求9所述的基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量方法，其特征在于仅依靠一台扇面激光发射器即可完成整个测量过程。为使扇面激光发射器能发射出三束不同的扇面激光，将其安装在能进行移动和转动的平台上。即将高精度滑台与高精度转台结合，使扇面激光发射器能在两个地方发射三束不同的扇面激光。

12.根据权利要求9所述的基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量方法，其特征在于所述的扇面激光发射器在匀速电机的作用下能以恒定的速度进行转动，从而发射出一束绕其旋转轴匀速旋转的扇面激光，可以通过对扇面激光旋转时间进行精确计时的方法来测量其旋转角度。