CN105572671A - 一种基于局部坐标系的空间定位装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于局部坐标系的空间定位装置、系统及方法，其装置包括壳体，所述壳体表面设有按键单元和显示单元，所述壳体表面标有测距刻度尺，所述壳体内设有超声波发射器、超声波接收器、主控制器、无线收发器和电池组，所述按键单元、显示单元、超声波发射器、超声波接收器和无线收发器均与所述主控制器电连接，所述超声波发射器、超声波接收器、主控制器、无线收发器均与所述电池组连接。本发明的一种基于局部坐标系的空间定位装置、系统及方法，通过超声波接收其和超声波发射器进行测距，从而实现室内精准定位，可直接显示局部空间内任意一点的坐标方位，体积小，便于携带，操作方便，测量精度较高，非常适合在局部空间中进行精确定位。

Description

一种基于局部坐标系的空间定位装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及定位测量技术领域，尤其涉及一种基于局部坐标系的空间定位装置、系统及方法。

背景技术

目前市场上的定位系统，不管是GPS定位技术还是利用无线传感器网络或其他定位手段进行定位，大都是只针对于二维平面内的定位系统，但是在一些立体空间中，比如实验室或某些密闭的大型容器内，需要对局部空间中的某一点进行定位，常规的定位系统就无法满足上述需求。在实际情况中，遇到这类问题时，人们通常都会利用卷尺等工具进行测量，这不仅测量精度达不到要求，而且测量效率非常低下，显然不能达到理想的效果，也不能满足实际测量需求。为此，需要开发一种能够比较方便的针对局部空间内的某一点进行定位的装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于局部坐标系的空间定位装置、系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

依据本发明的一个方便，提供了一种基于局部坐标系的空间定位装置，包括壳体，所述壳体表面设有按键单元和显示单元，所述壳体表面标有测距刻度尺，所述壳体内设有超声波发射器、超声波接收器、主控制器、无线收发器和电池组，所述按键单元、显示单元、超声波发射器、超声波接收器和无线收发器均与所述主控制器电连接，所述超声波发射器、超声波接收器、主控制器、无线收发器均与所述电池组连接。

本发明的一种基于局部坐标系的空间定位装置，通过超声波接收其和超声波发射器进行测距，从而实现室内精准定位，可直接显示局部空间内任意一点的坐标方位，体积小，便于携带，操作方便，测量精度较高，非常适合在局部空间中进行精确定位。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步：所述按键单元和显示单元共面设置在所述壳体一侧表面，所述测距刻度尺设置在所述壳体上设有按键单元一侧表面的上端边沿处，且所述测距刻度尺的中点为参照基准点。

上述进一步方案的有益效果是：通过按键单元和显示单元共面设置可以使得操作人员在实际测量过程中方便调节，设定参数信息，提高测量效率，通过所述测距刻度尺可以方便准确设定坐标轴的基准点，提高测量精度，减小误差。

进一步：所述电池组包括多个相互串联设置的可充电电池。

上述进一步方案的有益效果是：通过所述可充电电池可以提高所述空间定位装置的便携性，使得在野外或其他没有外部电源的情况下可以方便地完成测量，非常方便，并且整个空间定位装置的功耗较小，续航时间较长。

依据本发明的另一个方便，提供了一种基于局部坐标系的空间定位系统，包括包括至少五组所述的基于局部坐标系的空间定位装置。其中一个所述基于局部坐标系的空间定位装置设置在目标点处作为目标定位装置，所述目标定位装置用于测量目标点的空间三维坐标；其余所述基于局部坐标系的空间定位装置作为辅助定位装置在局部空间内构建空间三维立体坐标系，且所述辅助定位装置之间，以及每个所述辅助定位装置和所述目标定位装置之间均可以通过对应的无线收发器无线连接。

本发明的一种基于局部坐标系的空间定位系统，通过多组所述定位装置构建空间三维立体坐标系，完成目标点与空间三维立体坐标系中原点和坐标轴之间距离检测，从而实现目标点位置的准确定位，智能化程度较高，并且多组所述定位装置之间可以互换，操作方便，测量精度较高，便携性较高，是一种非常方便的定位工具。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步：所述辅助定位装置中，其中一个设置为空间三维坐标的原点处，作为原点定位装置，其余的所述辅助定位装置分别设置在空间三维坐标的x轴、y轴和z轴上的预设单位长度处，且所述空间三维坐标的x轴、y轴和z轴上均至少设有一个所述辅助定位装置，分别作为x轴定位装置、y轴定位装置和z轴定位装置，所述原点定位装置、x轴定位装置、y轴定位装置和z轴定位装置构成空间三维立体坐标系。

上述进一步方案的有益效果是：通过上述方式可以比较方便的构建空间三维立体坐标系，便于后续对空间三维立体坐标系中目标点的三维坐标计算，定位准确，计算方便。

进一步：在所述空间三维立体坐标系中，所述原点定位装置、x轴定位装置、y轴定位装置和z轴定位装置均以其测距刻度尺的中点为参照基准点设置在坐标轴上，所述目标定位装置也以其测距刻度尺的中点为参照基准点设置在目标点处。

上述进一步方案的有益效果是：通过上述方式可以方便准确设定坐标轴的基准点，便于系统自动出目标点的空间三维坐标，提高测量精度，减小误差。

依据本发明的另一个方便，提供了一种基于局部坐标系的空间定位方法，包括：

步骤1：在局部空间内构建三维立体坐标系；

步骤2：在所述三维立体坐标系内，根据预先设定的单位长度选定x轴、y轴和z轴上的单位基点；

步骤3：选取目标点，并计算出目标点的三维坐标，实现目标点定位。

本发明的一种基于局部坐标系的空间定位方法，通过构建空间三维立体坐标系，完成目标点与空间三维立体坐标系中原点和坐标轴之间距离检测，从而实现目标点位置的准确定位，操作方便，测量精度较高，可靠性较高，可以检测局部空间内任一点的三维坐标并显示，方便直观。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步：所述步骤1的具体实现为：

步骤11：在局部空间内选取坐标原点，并将所述原点定位装置设置在所述坐标原点处；

步骤12：根据所述坐标原点选定x轴、y轴和z轴，并将所述x轴定位装置、y轴定位装置和z轴定位装置分别设置在所述x轴、y轴和z轴上，构成三维立体坐标系，且所述空间三维坐标的x轴、y轴和z轴上分别设有至少一个所述x轴定位装置、y轴定位装置和z轴定位装置。

上述进一步方案的有益效果是：通过上述方式可以比较方便的构建空间三维立体坐标系，便于后续对空间三维立体坐标系中目标点的三维坐标计算，定位准确，计算方便。

进一步：所述步骤2的具体实现为：

步骤21：所述空间三维坐标中，所述x轴定位装置、y轴定位装置和z轴定位装置与所述原点定位装置之间通过发射超声波信号分别检测各自与所述原点定位装置之间的距离；

步骤22：在所述空间三维坐标系中，根据步骤21的实时检测结果在x轴、y轴和z轴上分别对x轴定位装置、y轴定位装置和z轴定位装置的位置进行调整，使其与所述原点定位装置之间的距离均等于预设的单位长度，即固定在对应坐标轴的单位基点处。

上述进一步方案的有益效果是：通过上述方式可以选定所述空间三维坐标系中x轴、y轴和z轴上的单位基点，便于后续可以比较方便的计算出目标点的空间三维坐标，计算结果精确，误差较小。

进一步，所述步骤3的具体实现为：

步骤31：选取目标点，并将所述目标定位装置设置在目标点处；

步骤32：在所述空间三维坐标系中，所述目标定位装置与所述原点定位装置、x轴定位装置、y轴定位装置和z轴定位装置之间通过发射超声波信号，检测其与所述原点定位装置、x轴定位装置、y轴定位装置和z轴定位装置之间的距离；

步骤33：根据所述目标定位装置与所述原点定位装置、x轴定位装置、y轴定位装置和z轴定位装置之间的距离计算目标点的空间三维坐标。

上述进一步方案的有益效果是：通过检测出目标点距离坐标原点和坐标轴的距离，可以比较方便的计算出目标点的空间三维坐标。

附图说明

图1为本发明实施例一的一种基于局部坐标系的空间定位装置结构示意图；

图2为本发明实施例一的一种基于局部坐标系的空间定位装置电路结构示意图；

图3为本发明实施例二的一种基于局部坐标系的空间定位系统检测原理示意图；

图4为本发明实施例三的一种基于局部坐标系的空间定位方法流程示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、壳体，2、按键单元，3、显示单元，4、测距刻度尺，5、超声波发射器，6、超声波接收器，7、主控制器，8、无线收发器，9、电池组；

101、目标定位装置,102、原点定位装置，103、x轴定位装置，104、y轴定位装置，105、z轴定位装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一、一种基于局部坐标系的空间定位装置，下面将结合附图1、2对本发明的一种基于局部坐标系的空间定位装置进行详细描述。

如图1所示，一种基于局部坐标系的空间定位装置结构示意图，包括壳体1，所述壳体1表面设有按键单元2和显示单元3，所述壳体1表面标有测距刻度尺4，所述壳体1内设有超声波发射器5、超声波接收器6、主控制器7、无线收发器8和电池组9。

如图2所示，一种基于局部坐标系的空间定位装置电路结构示意图，所述按键单元2、显示单元3、超声波发射器5、超声波接收器6和无线收发器8均与所述主控制器7电连接，所述超声波发射器5、超声波接收器6、主控制器7、无线收发器8均与所述电池组9连接。其中，所述按键单元2和显示单元3由所述主控制器的接口供电。

本实施例中，所述按键单元2和显示单元3共面设置在所述壳体1一侧表面，所述测距刻度尺4设置在所述壳体上设有按键单元2一侧表面的上端边沿处，且所述测距刻度尺4的中点为参照基准点。通过按键单元2和显示单元3共面设置可以使得操作人员在实际测量过程中方便调节，设定参数信息，提高测量效率，通过所述测距刻度尺4可以方便准确设定坐标轴的基准点，提高测量精度，减小误差。

其中，所述按键单元包括x轴按钮、y轴按钮、z轴按钮、原点按钮、测点按钮、测距按钮和开关按钮。

优选地，所述电池组9包括多个相互串联设置的可充电电池。通过所述可充电电池可以提高所述空间定位装置的便携性，使得在野外或其他没有外部电源的情况下可以方便地完成测量，非常方便，并且整个空间定位装置的功耗较小，续航时间较长。

本实施例的一种基于局部坐标系的空间定位装置，通过超声波接收其和超声波发射器进行测距，从而实现室内精准定位，可直接显示局部空间内任意一点的坐标方位，体积小，便于携带，操作方便，测量精度较高，非常适合在局部空间中进行精确定位。

实施例二、一种基于局部坐标系的空间定位系统，下面将结合附图3对本发明的一种基于局部坐标系的空间定位系统进行详细描述。

如图3所示，一种基于局部坐标系的空间定位系统，包括至少五组所述的基于局部坐标系的空间定位装置。其中一个所述基于局部坐标系的空间定位装置设置在目标点处作为目标定位装置101，所述目标定位装置101用于测量目标点的空间三维坐标；其余所述基于局部坐标系的空间定位装置作为辅助定位装置在局部空间内构建空间三维立体坐标系，且所述辅助定位装置之间，以及每个所述辅助定位装置和所述目标定位装置101之间均可以通过对应的无线收发器8无线连接。

本实施例中，所述辅助定位装置中，其中一个设置为空间三维坐标的原点处，作为原点定位装置102，其余的所述辅助定位装置分别设置在空间三维坐标的x轴、y轴和z轴上的预设单位长度处，且所述空间三维坐标的x轴、y轴和z轴上均至少设有一个所述辅助定位装置，分别作为x轴定位装置103、y轴定位装置104和z轴定位装置105，所述原点定位装置102、x轴定位装置103、y轴定位装置104和z轴定位装置105构成空间三维立体坐标系。通过上述方式可以比较方便的构建空间三维立体坐标系，便于后续对空间三维立体坐标系中目标点的三维坐标计算，定位准确，计算方便。

优选地，在所述空间三维立体坐标系中，所述原点定位装置102、x轴定位装置103、y轴定位装置104和z轴定位装置105均以其测距刻度尺4的中点为参照基准点设置在坐标轴上，所述目标定位装置101也以其测距刻度尺4的中点为参照基准点设置在目标点处。通过上述方式可以方便准确设定坐标轴的基准点，便于系统自动出目标点的空间三维坐标，提高测量精度，减小误差。

具体地，在实际测量过程中，选定空间三维立体坐标原点后，将一个定位装置放置在坐标原点处，作为原点定位装置102，然后在其按键单元2中按下原点按钮，此时原点指示灯亮，表示原点定位完成。然后选定x轴方向，将一个定位装置放置在x轴上，作为x轴定位装置103，然后按下x轴定位装置103的按键单元2的测距按钮，并在x轴上调整x轴定位装置103的位置，使得x轴定位装置103与原点定位装置102之间的距离为设定的单位长度，然后在按下x轴定位装置103的按键单元2的x轴按钮。同理，按照上述设定y轴定位装置104和z轴定位装置105。此时，空间三维立体坐标系构建完毕。选取空间三维立体坐标系中的任一点作为目标点，将目标定位装置101设置在目标点处，然后按下目标定位装置101的按键单元2中的测点按钮，即可在显示单元3显示目标点的坐标。至此，整个测量过程完成。当然，为了精确起见，可以针对某个目标点进行多次测量。

本实施例的一种基于局部坐标系的空间定位系统，通过多组所述定位装置构建空间三维立体坐标系，完成目标点与空间三维立体坐标系中原点和坐标轴之间距离检测，从而实现目标点位置的准确定位，智能化程度较高，并且多组所述定位装置之间可以互换，操作方便，测量精度较高，便携性较高，是一种非常方便的定位工具。

实施例三、一种基于局部坐标系的空间定位方法，下面将结合附图4对本发明的一种基于局部坐标系的空间定位方法进行详细描述。

如图4所示，一种基于局部坐标系的空间定位方法流程示意图，包括：

步骤1：在局部空间内构建三维立体坐标系；

步骤2：在所述三维立体坐标系内，根据预先设定的单位长度选定x轴、y轴和z轴上的单位基点；

步骤3：选取目标点，并计算出目标点的三维坐标，实现目标点定位。

本实施例中，所述步骤1的具体实现为：

步骤11：在局部空间内选取坐标原点，并将所述原点定位装置102设置在所述坐标原点处；

步骤12：根据所述坐标原点选定x轴、y轴和z轴，并将所述x轴定位装置103、y轴定位装置104和z轴定位装置105分别设置在所述x轴、y轴和z轴上，构成三维立体坐标系，且所述空间三维坐标的x轴、y轴和z轴上分别设有至少一个所述x轴定位装置103、y轴定位装置104和z轴定位装置105。

通过上述方式可以比较方便的构建空间三维立体坐标系，便于后续对空间三维立体坐标系中目标点的三维坐标计算，定位准确，计算方便。

本实施例中，所述步骤2的具体实现为：

步骤21：所述空间三维坐标中，所述x轴定位装置103、y轴定位装置104和z轴定位装置105与所述原点定位装置102之间通过发射超声波信号分别检测各自与所述原点定位装置102之间的距离；

步骤22：在所述空间三维坐标系中，根据步骤21的实时检测结果在x轴、y轴和z轴上分别对x轴定位装置103、y轴定位装置104和z轴定位装置105的位置进行调整，使其与所述原点定位装置102之间的距离均等于预设的单位长度，即固定在对应坐标轴的单位基点处。

通过上述方式可以选定所述空间三维坐标系中x轴、y轴和z轴上的单位基点，便于后续可以比较方便的计算出目标点的空间三维坐标，计算结果精确，误差较小。

本实施例中，所述步骤3的具体实现为：

步骤31：选取目标点，并将所述目标定位装置101设置在目标点处；

步骤32：在所述空间三维坐标系中，所述目标定位装置101与所述原点定位装置102、x轴定位装置103、y轴定位装置104和z轴定位装置105之间通过发射超声波信号，检测其与所述原点定位装置102、x轴定位装置103、y轴定位装置104和z轴定位装置105之间的距离；

步骤33：根据所述目标定位装置101与所述原点定位装置102、x轴定位装置103、y轴定位装置104和z轴定位装置105之间的距离计算目标点的空间三维坐标。

通过检测出目标点距离坐标原点和坐标轴的距离，可以比较方便的计算出目标点的空间三维坐标。

具体地，我们假设所述空间三维坐标系中，O为坐标原点，A为x轴上的单位基点，B为y轴上的单位基点，C为z轴上的单位基点，E为所述空间三维坐标系中的目标点，且E的空间三维坐标为(x，y，z)，通过测量可以分别测得目标点E与坐标原点O、x轴上的单位基点A、y轴上的单位基点B和z轴上的单位基点C之间的距离，这里分别记为OE、OA、OB、OC，那么根据余弦定理则有：

$\cos \∠EOA=\frac{{\mathrm{OE}}^2+{\mathrm{OA}}^2-{\mathrm{AE}}^2}{2\·OE\·OA}$

于是，E到x轴的垂直距离a的表达式为：

$a=OE\·sin\left(arccos\frac{{\mathrm{OE}}^2+{\mathrm{OA}}^2-{\mathrm{AE}}^2}{2\·OE\·OA}\right)$

同理可得，E到y轴的垂直距离b的表达式为：

$b=OE\·\sin \left(arccos\frac{{\mathrm{OE}}^2+{\mathrm{OB}}^2-{\mathrm{BE}}^2}{2\·OE\·OB}\right)$

E到z轴的垂直距离c的表达式为：

$c=OE\·sin\left(arccos\frac{{\mathrm{OE}}^2+{\mathrm{OC}}^2-{\mathrm{CE}}^2}{2\·OE\·OC}\right)$

根据y²+z²＝a²，x²+z²＝b²，x²+y²＝c²可以求得目标点E的空间三角坐标为

优选地，所述原点定位装置102、x轴定位装置103、y轴定位装置104和z轴定位装置105与所述目标定位装置101之间的距离均以各自的测距刻度尺4的中点为参照基准点进行测量。这样可以方便准确设定坐标轴的基准点，便于系统自动出目标点的空间三维坐标，提高测量精度，减小误差。

本实施例的一种基于局部坐标系的空间定位方法，通过构建空间三维立体坐标系，完成目标点与空间三维立体坐标系中原点和坐标轴之间距离检测，从而实现目标点位置的准确定位，操作方便，测量精度较高，可靠性较高，可以检测局部空间内任一点的三维坐标并显示，方便直观。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于局部坐标系的空间定位装置，其特征在于：包括壳体(1)，所述壳体(1)表面设有按键单元(2)和显示单元(3)，所述壳体(1)表面标有测距刻度尺(4)，所述壳体(1)内设有超声波发射器(5)、超声波接收器(6)、主控制器(7)、无线收发器(8)和电池组(9)，所述按键单元(2)、显示单元(3)、超声波发射器(5)、超声波接收器(6)和无线收发器(8)均与所述主控制器(7)电连接，所述超声波发射器(5)、超声波接收器(6)、主控制器(7)、无线收发器(8)均与所述电池组(9)连接。

2.根据权利要求1所述一种基于局部坐标系的空间定位装置，其特征在于：所述按键单元(2)和显示单元(3)共面设置在所述壳体(1)一侧表面，所述测距刻度尺(4)设置在所述壳体上设有按键单元(2)一侧表面的上端边沿处，且所述测距刻度尺(4)的中点为参照基准点。

3.根据权利要求1所述一种基于局部坐标系的空间定位装置，其特征在于：所述电池组(9)包括多个相互串联设置的可充电电池。

4.一种基于局部坐标系的空间定位系统，其特征在于：包括至少五组权利要求1至3任一项所述的基于局部坐标系的空间定位装置；

其中一个所述基于局部坐标系的空间定位装置设置在目标点处作为目标定位装置(101)，所述目标定位装置(101)用于测量目标点的空间三维坐标；

其余所述基于局部坐标系的空间定位装置作为辅助定位装置在局部空间内构建空间三维立体坐标系，且所述辅助定位装置之间，以及每个所述辅助定位装置和所述目标定位装置(101)之间均可以通过对应的无线收发器(8)无线连接。

5.根据权利要求4所述一种基于局部坐标系的空间定位系统，其特征在于：所述辅助定位装置中，其中一个设置为空间三维坐标的原点处，作为原点定位装置(102)，其余的所述辅助定位装置分别设置在空间三维坐标的x轴、y轴和z轴上的预设单位长度处，且所述空间三维坐标的x轴、y轴和z轴上均至少设有一个所述辅助定位装置，分别作为x轴定位装置(103)、y轴定位装置(104)和z轴定位装置(105)，所述原点定位装置(102)、x轴定位装置(103)、y轴定位装置(104)和z轴定位装置(105)构成空间三维立体坐标系。

6.根据权利要求5所述一种基于局部坐标系的空间定位系统，其特征在于：在所述空间三维立体坐标系中，所述原点定位装置(102)、x轴定位装置(103)、y轴定位装置(104)和z轴定位装置(105)均以其测距刻度尺(4)的中点为参照基准点设置在坐标轴上，所述目标定位装置(101)也以其测距刻度尺(4)的中点为参照基准点设置在目标点处。

7.一种基于局部坐标系的空间定位方法，其特征在于：其采用权利要求4-6任一项所述的基于局部坐标系的空间定位系统，包括：

步骤1：在局部空间内构建三维立体坐标系；

步骤2：在所述三维立体坐标系内，根据预先设定的单位长度选定x轴、y轴和z轴上的单位基点；

步骤3：选取目标点，并计算出目标点的三维坐标，实现目标点定位。

8.根据权利要求7所述一种基于局部坐标系的空间定位方法，其特征在于，所述步骤1的具体实现为：

步骤11：在局部空间内选取坐标原点，并将所述原点定位装置(102)设置在所述坐标原点处；

步骤12：根据所述坐标原点选定x轴、y轴和z轴，并将所述x轴定位装置(103)、y轴定位装置(104)和z轴定位装置(105)分别设置在所述x轴、y轴和z轴上，构成三维立体坐标系，且所述空间三维坐标的x轴、y轴和z轴上分别设有至少一个所述x轴定位装置(103)、y轴定位装置(104)和z轴定位装置(105)。

9.根据权利要求8所述一种基于局部坐标系的空间定位方法，其特征在于：所述步骤2的具体实现为：

步骤21：所述空间三维坐标中，所述x轴定位装置(103)、y轴定位装置(104)和z轴定位装置(105)与所述原点定位装置(102)之间通过发射超声波信号分别检测各自与所述原点定位装置(102)之间的距离；

步骤22：在所述空间三维坐标系中，根据步骤21的实时检测结果在x轴、y轴和z轴上分别对x轴定位装置(103)、y轴定位装置(104)和z轴定位装置(105)的位置进行调整，使其与所述原点定位装置(102)之间的距离均等于预设的单位长度，即固定在对应坐标轴的单位基点处。

10.根据权利要求9所述一种基于局部坐标系的空间定位方法，其特征在于：所述步骤3的具体实现为：

步骤31：选取目标点，并将所述目标定位装置(101)设置在目标点处；

步骤32：在所述空间三维坐标系中，所述目标定位装置(101)与所述原点定位装置(102)、x轴定位装置(103)、y轴定位装置(104)和z轴定位装置(105)之间通过发射超声波信号，检测其与所述原点定位装置(102)、x轴定位装置(103)、y轴定位装置(104)和z轴定位装置(105)之间的距离；

步骤33：根据所述目标定位装置(101)与所述原点定位装置(102)、x轴定位装置(103)、y轴定位装置(104)和z轴定位装置(105)之间的距离计算目标点的空间三维坐标。