CN104819718B - 3d光电传感定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D光电传感定位系统，属于室内定位领域，可以应用于航模多旋叶飞行器编队飞行，确定机器人在空间的走动位置及与邻近其他机器人的位置等场合。系统包括发射机、接收机、网络同步控制器、信息集成器和显示器。发射机由时序控制器控制时序。空间的一个点光源通过网络控制器发送同步信号，该点光源通过接收机的柱形光学镜投影到接收机每个CCD平面上是一条与CCD线列垂直的直线光线，交与CCD上得到投影的位置信息，三组CCD的投影位置确定一点光源三维位置。通过嵌入式系统计算点光源在空间相对于接收端的坐标。接收机同时将数据最终传输给显示终端，由终端管理软件显示信息并反馈。本发明定位精度高，稳定性好，坐标系三轴对称一致性好，成本低。

Description

3D光电传感定位系统

技术领域

本发明涉及一种自动化空间定位系统，特别是涉及一种实时光电传感定位系统，应用于室内外大范围3D空间实时定位仪器设备技术领域。

背景技术

室内定位技术常见的方法较多、有三维视觉和经纬仪光电设备等。三维视觉方法将检测到的特定点在立体图像组中的位置和视差来定位点位置，速度较慢、定位点在立体图像中匹配是个难点。经纬仪光电方自动化程度低，精度也由于机械编码器的限制而受影响。这种方法在实际测量中误差也较大，由基于激光干涉测距仪的激光跟踪仪在制造业已广泛应用，精度虽高，由于速度原因，实时性不佳。

室内全局定位系统Internal Global Position System (iGPS) 技术是一个模块化可变测量空间的概念，带有红外发射激光面扫射空间的发射器取代了全球定位器GlobalPositioning System (GPS)的卫星激活整个测量区域。通过对目标点经纬角的测定来定位目标点，iGPS对室内的工艺装备，工具，零件，测量物，以及如AGV小车，机器人等都可以安装接收器用发射器来跟踪。为了提供高精度的数据或跟踪及定位的范围应用，可以增加更多的发射器以扩大测量区域和冗余提高精度。iGPS具有很好的灵活性，是可以在室内或部分室外应用使用的测量仪。有标准配置，其零件具有便于安装和使用的特性。但是价格昂贵，定位前标定耗时较长限制了应用范围。

尼康公司的Metris Krypton测量技术根据功能不同有几种配置的产品，它们是使用光学跟踪器配置特殊的LED取得各测量点的三维空间位置。其不足之处是定位的范围受到限制，可应用范围不够灵活，体积庞大。

在实际应用中，由于在Charged Coupled Device (CCD)光学镜头制造，测试环境光照以及定位方法等方面均在应用方面受限制。现有的室内定位技术以及定位设备具有测量精度较低，稳定性不够，易受外界噪声干扰、速度慢等缺点。因此，目前的技术还有待于改进和发展。

发明内容

为了解决现有的应用技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种3D光电传感定位系统，使用光电传感器通过无线实时通信技术，实现点光源的3D定位，可以用作航模多旋叶飞行编队飞行器定位，确定机器人在空间的走动位置、记录轨迹及与邻近其他机器人的相对位置或编队位置定位、在仿真环境下测定人员视角的变化检测等功能。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种3D光电传感定位系统，由发射机、接收机、网络同步控制器、信息集成器和显示器四部分组成光电定位系统，由发射机作为离散点光源发射端生成离散点光源，由接收机作为线性光电传感器接收端来感知离散点光源的信号，发射机由一系列发射端单元串联组成，每个发射端单元由3～5个LED发光点组件组成一个组点光源，LED发光点组件采用红外发光发送光信号，发射端单元能设置于任何活动或静止物体上，是非常小巧且方便移动的部件，其布局的拓扑结构可以任意；接收机由一系列接收端单元并联组成，每个接收端单元皆由三线性光电传感器和嵌入式系统构成，每个接收端单元的三线性光电传感器除三个线性CCD组件、三组定焦距柱形光学镜片和传感器底座，其中每个线性CCD组件都对应一个定焦距柱形光学镜片，空间的任意一个点光源通过各柱形光学镜投影到每个线性CCD组件平面上，形成与线性CCD组件的线列垂直的直线光线，嵌入式系统实时计算出发射端单元相对于接收端单元的三维空间坐标位置并存储；网络同步控制器采用实时的有线或无线通信方式，向发射端单元和各接收端单元发出同步控制指令信号，使接收端单元根据发射端单元的发射发光脉冲时点来同步接收信号，使接收机成为发射端单元的点光源实时位置跟踪器，网络同步控制器能同时向至少两个接收端单元发出同步要求计算位置的信号；时序控制器也采用实时的有线或无线通信方式接收来自网络同步控制器发出的时序指令信号，各发射端单元由时序控制器设置发光时序，依次控制每个发射端单元的LED发光点组件实现点光源循环发光，使每个LED点光源按时序控制器设定的时间控制序列按时发射光脉冲，而接收机的接收端单元也按照时序控制器设定的时间控制序列接收目标点光源发射的发光脉冲，再通过嵌入式系统计算发射端单元的LED发光点组件的位置，同时将数据传输给信息集成器和显示器，实现点光源的位置信息显示输出或发送位置信息到需要位置信息的外部设备。

作为本发明优选的技术方案，三个线性CCD组件在同一平面分布设置，平面布局呈等边三角形、“工”字形、“十”字形或“Y”字形。

作为本发明进一步优选的技术方案，时序控制器依次控制各发射端单元的LED发光点组件进行点光源循环发光的频率范围不低于200Hz。这样能使光信号的频率控制在接收端装置能完整采集到光信号水平，而且要避开环境中已有的干扰。

本发明包括如下步骤：

A.发射机中的多个点光发射端单元由时序控制器设置发光时序，控制LED点光源循环发光。每个发射端单元的组成包括三至五个LED点光源，其按时序控制器设定的时间控制序列按时序发射发光脉冲。多个单元之间串联并依据设定的时序循环发光。

B. 每个发射端单元发射的点光源通过接收端接得到点光源的位置信息。接收机是通过多个接收端单元并联来构成的测量定位系统，每个接收端单元包括三个线性CCD光电传感器、三组定焦距柱形光学镜和嵌入式系统，从发射机中每个发射端单元发送的光信号通过每个接收端单元计算得到发射端LED相对于每个接收端单元位置的坐标值。

C.采用实时的有线或无线通信技术，通过网络控制器发送同步信号，同步信号给发射端单元或多个串联单元。

D.由网络控制器得到的同步信号，通过接收端接收得到的点光源并计算位置坐标值，依据嵌入式系统对数据进行计算及存储等工作，得到发射端的点光源在空间相对于接收端的坐标位置即X/Y/Z轴坐标，同时将数据最终传输给显示终端或其他设备，由终端管理软件进行LED点光源单元位置信息的显示。

本发明采用近实时的通信方法，通过有线或无线的通信技术，控制空间一系列点光源按时序闪光，没有两光源在发光时间上重叠。嵌入式系统服务器同步接收由点光源系列发射的光信号，并逐个逐步对位置数据进行计算及存储等工作，同时将位置数据最终传输给显示终端，由服务器把一系列点光源位置信息传送给用户需要位置信息的设备，实现高速的同步、实现发射端和接收端相对运动的位置的实时更新和跟踪。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 本发明3D光电传感定位系统依据任意布局的红外发射端，使用光电传感器集成接收端装置跟踪LED，能够在航模多旋叶飞行编队飞行，确定机器人空间的走动位置及与邻近其他机器人的位置等复杂的室内环境中，较为精确地测得位置信息，能够满足很多室内定位的应用要求，定位精度高，稳定性好，成本较低；

2. 本发明3D光电传感定位系统在应用中，发射机和接收机的角色可互换，使用灵活；

3. 本发明3D光电传感定位系统能进行大范围3D空间实时定位，能实现3D定位和定向检测。

附图说明

图1是本发明优选实施例3D光电传感定位系统的各部分协同工作示意图。

图2是本发明优选实施例的点光源发射端单元的结构示意图。

图3是本发明优选实施例的发射机的结构示意图。

图4是本发明优选实施例的接收端单元的结构示意图。

图5是本发明优选实施例利用点光源发射光投影进行点光源定位的光电原理图。

图6是本发明优选实施例3D光电传感定位系统的工作流程图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

在本实施例中，参见图1～图6，一种3D光电传感定位系统，由发射机11、接收机12、网络同步控制器13、信息集成器和显示器14四部分组成光电定位系统，由发射机11作为离散点光源发射端生成离散点光源，由接收机12作为线性光电传感器接收端来接收离散点光源的信号，其特征在于：发射机11由一系列发射端单元20串联组成，每个发射端单元20由3个LED发光点组件21、22、23组成一个组光源，LED发光点组件采用红外发光发送光信号，发射端单元20能设置于任何活动组件上或静止组件上；接收机12由一系列接收端单元40并联组成，每个接收端单元40皆由三线性光电传感器和嵌入式系统44构成，每个接收端单元40的三线性光电传感器皆包括三个线性CCD组件41、42、43、三组定焦距柱形光学镜片和传感器底座，其中每个线性CCD组件41、42、43都对应一个定焦距柱形光学镜片，三个线性CCD组件41、42、43在同一平面分布设置，平面布局呈“Y”字形，空间的任意一个点光源通过各柱形光学镜投影到对应每个线性CCD组件41、42、43平面上，形成与线性CCD组件41、42、43的线列垂直的直线光线，嵌入式系统44实时计算出发射端单元20相对于接收端单元40的三维空间坐标位置并存储；网络同步控制器13采用实时的有线或无线通信方式，向发射端单元20和各接收端单元40发出同步控制指令信号，使接收端单元40根据发射端单元20的发射发光脉冲时间点上来同步接收信号，使接收机12成为发射端单元20的点光源实时位置跟踪器，网络同步控制器13能同时向至少两个接收端单元40发出同步要求计算位置的信号；时序控制器10也采用实时的有线或无线通信方式接收来自网络同步控制器13发出的时序指令信号，各发射端单元20由时序控制器10设置发光时序，依次控制每个发射端单元20的LED发光点组件实现点光源循环发光，使每个LED点光源按时序控制器10设定的时间控制序列按时发射发光脉冲，而接收机12的接收端单元40也按照时序控制器10设定的时间控制序列接收目标电光源发射的发光脉冲，再通过嵌入式系统44计算发射端单元20的LED发光点组件的位置，同时将数据传输给信息集成器和显示器14，实现点光源的位置信息显示输出或发送位置信息到外部设备。

在本实施例中，参见图1、图3和图6，时序控制器10依次控制各发射端单元20的LED发光点组件进行点光源循环发光的频率为200Hz。

在本实施例中，参见图1～图6，实施例子通过有线或无线的网络同步控制器13同步发射机11和接收机12，可以接收每个发射端单元20的点光源的位置信息数据，并对数据进行计算及存储等工作。每个点光源多次循环得到的位置信息通过不断优化算法计算，且能动态跟踪，最终数据传输给显示终端14，由终端管理软件进行点光源位置信息的显示。

在本实施例中，参见图1～图6，发射机中的多个点光源的发射单元20由时序控制器10设置发光时序脉冲33，控制LED点光源循环发光，发送点光源信息。每个发射单元20按时序控制器10设定的时间控制序列按时发射发光脉冲。点光源采用红外发光二极管 (LED)，制成非常小巧且方便移动的部件，其布局的拓扑结构可以任意，而且使用者可把LED置于任何活动部件上，以200循环每秒的速度循环发光。光信号的频率控制在接收端单元40能完整采集到光信号，而且要避开环境中已有的干扰，完成坐标位置的计算，其频率范围亦为200HZ。

在本实施例中，参见图1～图6，每个点光源发射端单元的点光源通过接收端40接收点光源的投影位置信息，接收机12是通过多个接收端单元40并联来构成的测量定位系统，从发射机11中每个点光源发射端单元发送的光点信号通过每个接收端单元检测得到三个LED的投影位置，并计算得到三维坐标值。三个CCD传感器排列在同一平面上可以任意分布，用于接收发射端单元中每个点光源的投影和计算空间坐标位置 (x , y, z) 。接收端单元40使用三个线性CCD光电传感器41、42、43跟踪LED点光源，取得各测量点投影和计算三维空间位置，每个LED的投影位置是根据光电传感器通过三组镜头在CCD上读取，再计算出LED相对于光电传感器的三维坐标。每组镜头使用定焦距柱形光学镜，传感器能够跟踪接收LED点光源的投影位置信息。一个LED点光源通过三个线性CCD光电传感器41、42、43定位得到此LED的空间坐标点M (x, y, z)，这由CCD光电传感器41、42、43上柱形镜的焦点位置以及点光源的投影在CCD上的位置来确定。

在本实施例中，参见图1～图6，一个点光源发射的光投影到三个线性CCD光电传感器41、42、43的其中两个光电传感器上，两条投影直线垂直于两个CCD光电传感器，由CCD光电传感器检测的光点位置能构建两平面相交的空间所在直线，因为由两个光学焦点和两条投影直线，能组成两平面，这两个平面的交线能够通过空间的点光源位置。同样地，由该点光源发射的光投影到另外一个光电传感器，由CCD光电传感器检测的光点位置能知道投影平面相交于一条与CCD光电传感器垂直的直线，投影直线垂直于CCD光电传感器，由CCD光电传感器检测的光点位置能知道投影直线的空间位置，由光学焦点和投影直线能组成另一平面，这个平面与前两个平面相交线于一点，相交的M点就是点光源的位置。因此，由一个点光源发射的光投影到三个41、42、43，三个平面交于一点M (x, y, z) ，该M点即为点光源的空间位置坐标。M (x, y, z) 的值由嵌入式系统44计算得到。

在本实施例中，根据红外LED点光源循环高速发光信号，使用集成光电传感器的接收端装置，能够在复杂的室内环境中较为精确地测得该点光发射端的位置，能够满足航模多旋叶飞行器编队飞行，确定机器人在空间的走动位置及与邻近其他机器人的位置等多种室内定位的应用要求，定位精度高，稳定性好，成本较低。同时，发射机和接收机的角色可视应用需要互换。

在本实施例中，使用光电传感器接收机进行定位，采用有线或无线的实时通信方法。其特征在于通过网络通信技术，点光源接收端通过嵌入式系统可以由光电传感器接收到的平面位置信息来计算空间点光源的位置，并对位置数据进行存储等工作。每个点光源在发射端循环得到的位置信息，使用优化算法处理，最终传输给显示终端，由终端管理软件实现点光源位置信息的显示。定位精度比其他检测方法高，成本比iGPS设备低，范围比Nikon Krypton测量技术产品广，发射机和接收机的角色互换使光信号不容易受到复杂多变的室内环境的影响，且在三维坐标系中精度对称。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明3D光电传感定位系统的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种3D光电传感定位系统，由发射机（11）、接收机（12）、网络同步控制器（13）、信息集成器和显示器（14）四部分组成光电定位系统，由所述发射机（11）作为离散点光源发射端生成所述离散点光源，由所述接收机（12）作为线性光电传感器接收端来接收所述离散点光源的信号，其特征在于：所述发射机（11）由一系列发射端单元（20）串联组成，每个所述发射端单元（20）由3～5个LED发光点组件组成一个组光源，所述LED发光点组件采用红外发光发送光信号，所述发射端单元（20）能设置于任何活动或静止物体上；

所述接收机（12）由一系列接收端单元（40）并联组成，每个所述接收端单元（40）皆由三线性光电传感器和嵌入式系统（44）构成，每个所述接收端单元（40）的三线性光电传感器包括三组定焦距柱形光学镜片和传感器底座，其中每个所述线性CCD组件（41、42、43）都对应一个定焦距柱形光学镜片，空间的任意一个点光源通过各定焦距柱形光学镜片投影到每个所述线性CCD组件（41、42、43）平面上，形成与所述线性CCD组件（41、42、43）的线列垂直的直线光线，所述嵌入式系统（44）实时计算出所述发射端单元（20）相对于所述接收端单元（40）的三维空间坐标位置并存储；

所述网络同步控制器（13）采用实时的有线或无线通信方式，向所述发射端单元（20）和各所述接收端单元（40）发出同步控制指令信号，使所述接收端单元（40）根据所述发射端单元（20）的发射发光脉冲时点来同步接收信号，使所述接收机（12）成为所述发射端单元（20）的点光源实时位置跟踪器，所述网络同步控制器（13）能同时向至少两个所述接收端单元（40）发出同步要求计算位置的信号；

时序控制器（10）也采用实时的有线或无线通信方式接收来自所述网络同步控制器（13）发出的时序指令信号，各所述发射端单元（20）由所述时序控制器（10）设置发光时序，依次控制每个所述发射端单元（20）的LED发光点组件实现点光源循环发光，使每个LED点光源按所述时序控制器（10）设定的时间控制序列按时发射发光脉冲，而所述接收机（12）的接收端单元（40）也按照所述时序控制器（10）设定的时间控制序列接收目标点光源发射的发光脉冲，再通过嵌入式系统（44）计算所述发射端单元（20）的LED发光点组件的位置，同时将数据传输给信息集成器和显示器（14），实现点光源的位置信息显示输出或发送三维空间坐标位置信息到外部设备。

2.根据权利要求1所述3D光电传感定位系统，其特征在于：所述三个线性CCD组件（41、42、43）在同一平面分布设置，平面布局呈三角形、“工”字形、“十”字形或“Y”字形。

3.根据权利要求1或2所述3D光电传感定位系统，其特征在于：所述时序控制器（10）依次控制各所述发射端单元（20）的LED发光点组件进行点光源循环发光的频率不低于200Hz。