CN105607034A - 一种三维空间检测系统、定位方法及系统 - Google Patents

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CN105607034A CN201510977952.3A CN201510977952A CN105607034A CN 105607034 A CN105607034 A CN 105607034A CN 201510977952 A CN201510977952 A CN 201510977952A CN 105607034 A CN105607034 A CN 105607034A
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张海洋
张道宁
赵曦
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Abstract

本申请公开了一种三维空间检测系统、定位系统及方法,该定位系统包括:定位基站、待定位标记设备以及计算装置,定位基站向待定位标记设备同步基准时刻、发送超声波信号、绕着第一旋转轴旋转发送第一激光平面信号以及绕着垂直于第一旋转轴的第二旋转轴旋转发送第二激光平面信号;待定位标记设备从定位基站同步基准时刻,检测超声波信号、第一激光平面信号以及第二激光平面信号;计算装置用于根据待定位标记设备检测到超声波信号的时刻、检测到第一激光平面信号的时刻以及检测到第二激光平面信号的时刻,确定待定位标记设备的三维空间坐标。本申请能够基于超声波和激光信号实现室内精确定位。

Description

一种三维空间检测系统、定位方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及定位技术,尤其涉及一种三维空间检测系统、定位方法及系统。
背景技术
[0002] 随着移动设备和网络技术的发展,位置服务在人们的生活中越来越重要。目前的 定位根据定位区域的不同可以分为室外定位以及室内定位。其中,室外定位主要通过卫星 定位系统实现,目前的室外定位技术能够很好地满足室外定位的需求。然而,在室内进行定 位时,由于受定位时间、定位精度以及室内复杂环境等条件的限制,室外定位技术应用于室 内定位时无法满足用户的需求。
[0003] 为了实现室内定位,现有方案例如通过室内全球定位系统(GPS,Global Positioning System)、红外线、蓝牙等技术进行定位感知。然而,现有室内定位方案的成本 较高、设备配置复杂且定位精度均有待提高。
发明内容
[0004] 为了解决上述技术问题,本发明提供一种三维空间检测系统、定位方法及系统,能 够基于超声波和激光信号进行室内精确定位。
[0005] 为了达到上述技术目的,本发明提供一种三维空间检测系统,包括:定位基站以及 待定位标记设备;所述定位基站,用于向待定位标记设备同步基准时刻、发送超声波信号、 绕着第一旋转轴旋转发送第一激光平面信号以及绕着第二旋转轴旋转发送第二激光平面 信号,其中,所述第一旋转轴与第二旋转轴相互垂直;所述待定位标记设备,用于从所述定 位基站同步基准时刻,检测所述超声波信号、所述第一激光平面信号以及所述第二激光平 面信号。
[0006] 其中,所述定位基站包括:第一同步装置,用于向待定位标记设备同步基准时刻; 第一旋转激光平面发射器,用于绕着第一旋转轴旋转发送第一激光平面信号;第二旋转激 光平面发射器,用于绕着第二旋转轴旋转发送第二激光平面信号;超声波发射器,用于发送 超声波信号。
[0007] 可选地,所述超声波发射器位于所述第一旋转轴与所述第二旋转轴的交点处。
[0008] 其中,所述待定位标记设备包括:第二同步装置,用于从所述定位基站同步基准时 亥IJ;光电感应电路,用于检测所述定位基站发送的第一激光平面信号以及第二激光平面信 号;超声波接收器,用于检测所述定位基站发送的超声波信号。
[0009] 本发明还提供一种基于上述三维空间检测系统的三维空间定位方法,包括:
[0010] 当定位基站与待定位标记设备同步基准时刻后,且待定位标记设备检测到第一激 光平面信号、第二激光平面信号以及超声波信号时,根据定位基站发送第一激光平面信号 的第一参考时刻、定位基站发送第二激光平面信号的第二参考时刻、待定位标记设备检测 到第一激光平面信号的第一时刻以及检测到第二激光平面信号的第二时刻,确定第一旋转 角度以及第二旋转角度,其中,所述第一旋转角度为所述第一时刻所述第一激光平面信号 相对于第一旋转轴与第二旋转轴所确定平面的角度,所述第二旋转角度为所述第二时刻所 述第二激光平面信号相对于第一旋转轴与第二旋转轴所确定平面的角度,所述第一参考时 刻为定位基站发送的第一激光平面信号相对于第一旋转轴与第二旋转轴所确定平面的角 度为第一参考角度的时刻,所述第二参考时刻为定位基站发送的第二激光平面信号相对于 第一旋转轴与第二旋转轴所确定平面的角度为第二参考角度的时刻;
[0011]根据所述定位基站发送超声波信号的发送时刻以及所述待定位标记设备检测到 所述超声波信号的时刻,确定所述待定位标记设备与所述定位基站之间的距离;
[0012] 根据所述第一旋转角度、所述第二旋转角度以及所述距离,确定所述待定位标记 设备在三维测量坐标系中的三维坐标。
[0013] 可选地,所述根据所述第一旋转角度、所述第二旋转角度以及所述距离,确定所述 待定位标记设备在三维测量坐标系中的三维坐标,包括:
[0014] 当所述三维测量坐标系为笛卡尔坐标系,所述第一旋转轴为X轴,所述第二旋转轴 为Y轴时,根据下式求解得到所述待定位标记设备在该三维测量坐标系中的三维坐标:
[0015] X〇2+Y〇2+Zo2 = L2
[0016] Y〇 X tana = X〇 X tanP = Zo,
[0017] 其中,(Xo,Yo,Zo)表示待定位标记设备在三维测量坐标系中的三维坐标,L为所述 待定位标记设备与定位基站之间的距离,α为第一旋转角度,β为第二旋转角度。
[0018]可选地,所述根据定位基站发送第一激光平面信号的第一参考时刻、定位基站发 送第二激光平面信号的第二参考时刻、待定位标记设备检测到第一激光平面信号的第一时 刻以及检测到第二激光平面信号的第二时刻,确定第一旋转角度以及第二旋转角度,包括:
[0019] 根据定位基站发送第一激光平面信号的第一参考时刻以及待定位标记设备检测 到第一激光平面信号的第一时刻,确定所述第一时刻与所述第一参考时刻之间的关系,根 据所述第一时刻与第一参考时刻之间的关系以及所述第一参考时刻对应的第一参考角度, 确定所述第一旋转角度;
[0020] 根据定位基站发送第二激光平面信号的第二参考时刻以及待定位标记设备检测 到第二激光平面信号的第二时刻,确定所述第二时刻与所述第二参考时刻之间的关系,根 据所述第二时刻与第二参考时刻之间的关系以及所述第二参考时刻对应的第二参考角度, 确定所述第二旋转角度。
[0021 ]可选地,所述根据所述定位基站发送超声波信号的发送时刻以及所述待定位标记 设备检测到所述超声波信号的时刻,确定所述待定位标记设备与所述定位基站之间的距 离,包括:
[0022]根据所述定位基站发送超声波信号的发送时刻以及所述待定位标记设备检测到 超声波信号的时刻确定所述超声波信号从所述定位基站到所述待定位标记设备的传输时 长,根据所述传输时长以及声音在空气中的传输速度,确定所述待定位标记设备与所述定 位基站之间的距离。
[0023]本发明还提供一种三维空间定位系统,包括:上述三维空间检测系统以及计算装 置,
[0024]所述计算装置,用于当定位基站与待定位标记设备同步基准时刻后,且待定位标 记设备检测到第一激光平面信号、第二激光平面信号以及超声波信号时,根据定位基站发 送第一激光平面信号的第一参考时刻、定位基站发送第二激光平面信号的第二参考时刻、 待定位标记设备检测到第一激光平面信号的第一时刻以及检测到第二激光平面信号的第 二时刻,确定第一旋转角度以及第二旋转角度,其中,所述第一旋转角度为所述第一时刻所 述第一激光平面信号相对于第一旋转轴与第二旋转轴所确定平面的角度,所述第二旋转角 度为所述第二时刻所述第二激光平面信号相对于第一旋转轴与第二旋转轴所确定平面的 角度,所述第一参考时刻为定位基站发送的第一激光平面信号相对于第一旋转轴与第二旋 转轴所确定平面的角度为第一参考角度的时刻,所述第二参考时刻为定位基站发送的第二 激光平面信号相对于第一旋转轴与第二旋转轴所确定平面的角度为第二参考角度的时刻;
[0025] 用于根据所述定位基站发送超声波信号的发送时刻以及所述待定位标记设备检 测到所述超声波信号的时刻,确定所述待定位标记设备与所述定位基站之间的距离;
[0026] 用于根据所述第一旋转角度、所述第二旋转角度以及所述距离,确定所述待定位 标记设备在三维测量坐标系中的三维坐标。
[0027] 可选地,所述计算装置,用于根据所述第一旋转角度、所述第二旋转角度以及所述 距离,确定所述待定位标记设备在三维测量坐标系中的三维坐标,是指:
[0028] 当所述三维测量坐标系为笛卡尔坐标系,所述第一旋转轴为X轴,所述第二旋转轴 为Y轴时,所述计算装置根据下式求解得到所述待定位标记设备在该三维测量坐标系中的 三维坐标:
[0029] X〇2+Y〇2+Zo2 = L2
[0030] Y〇 X tana = X〇 X tanP = Zo,
[0031] 其中,(Xo,Yo,Zo)表示待定位标记设备在三维测量坐标系中的三维坐标,L为所述 待定位标记设备与定位基站之间的距离,α为第一旋转角度,β为第二旋转角度。
[0032] 可选地,所述计算装置,用于根据定位基站发送第一激光平面信号的第一参考时 亥IJ、定位基站发送第二激光平面信号的第二参考时刻、待定位标记设备检测到第一激光平 面信号的第一时刻以及检测到第二激光平面信号的第二时刻,确定第一旋转角度以及第二 旋转角度,是指:
[0033] 所述计算装置根据定位基站发送第一激光平面信号的第一参考时刻以及待定位 标记设备检测到第一激光平面信号的第一时刻,确定所述第一时刻与所述第一参考时刻之 间的关系,根据所述第一时刻与第一参考时刻之间的关系以及所述第一参考时刻对应的第 一参考角度,确定所述第一旋转角度;
[0034] 所述计算装置根据定位基站发送第二激光平面信号的第二参考时刻以及待定位 标记设备检测到第二激光平面信号的第二时刻,确定所述第二时刻与所述第二参考时刻之 间的关系,根据所述第二时刻与第二参考时刻之间的关系以及所述第二参考时刻对应的第 二参考角度,确定所述第二旋转角度。
[0035] 可选地,所述计算装置,用于根据所述定位基站发送超声波信号的发送时刻以及 所述待定位标记设备检测到所述超声波信号的时刻,确定所述待定位标记设备与所述定位 基站之间的距尚,是指:
[0036] 所述计算装置根据所述定位基站发送超声波信号的发送时刻以及所述待定位标 记设备检测到超声波信号的时刻确定所述超声波信号从所述定位基站到所述待定位标记 设备的传输时长,根据所述传输时长以及声音在空气中的传输速度,确定所述待定位标记 设备与所述定位基站之间的距离。
[0037]在本发明中,定位基站向待定位标记设备同步基准时刻、发送超声波信号、绕着第 一旋转轴旋转发送第一激光平面信号以及绕着垂直于第一旋转轴的第二旋转轴旋转发送 第二激光平面信号;待定位标记设备从定位基站同步基准时刻,检测超声波信号、第一激光 平面信号以及第二激光平面信号。根据定位基站发送第一激光平面信号的第一参考时刻、 定位基站发送第二激光平面信号的第二参考时刻、超射波信号的发送时刻、待定位标记设 备检测到第一激光平面信号的第一时刻、检测到第二激光平面信号的第二时刻以及检测到 超声波信号的时刻,通过计算处理得到待定位标记设备在三维测量坐标系中的三维坐标。 如此,本发明能够基于超声波和激光信号进行室内定位,并且定位精度较高。而且,本发明 的成本较低,待定位标记设备的设计易于小型化,有利用于应用在对体积或重量敏感的场 景,如小型无人机等。
附图说明
[0038]图1为本发明一实施例提供的三维空间检测系统的示意图;
[0039] 图2为本发明一实施例提供的三维空间定位方法的流程图;
[0040] 图3为本发明一实施例提供的三维空间定位系统的示意图;
[0041]图4为本发明实施例提供的三维空间定位方法的原理图。
具体实施方式
[0042]以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明,应当理解,以下所说明的实施例 仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
[0043]本发明实施例提供一种三维空间检测系统,包括:定位基站以及待定位标记设备; 定位基站,用于向待定位标记设备同步基准时刻、发送超声波信号、绕着第一旋转轴旋转发 送第一激光平面信号以及绕着第二旋转轴旋转发送第二激光平面信号;待定位标记设备, 用于从定位基站同步基准时刻,检测超声波信号、第一激光平面信号以及第二激光平面信 号;其中,第一旋转轴与第二旋转轴相互垂直。
[0044] 图1为本发明一实施例提供的三维空间检测系统的示意图。如图1所示,本实施例 提供的三维空间检测系统,包括定位基站以及待定位标记设备。其中,待定位标记设备的数 目为至少一个,即一个定位基站可以为至少一个待定位标记设备提供定位服务。
[0045] 如图1所示,定位基站包括:第一同步装置、两个旋转激光平面发射器(旋转激光平 面发射器A及B)以及超声波发射器。其中,第一同步装置用于向待定位标记设备同步基准时 亥IJ;旋转激光平面发射器A用于绕着第一旋转轴旋转发送第一激光平面信号;旋转激光平面 发射器B用于绕着垂直于第一旋转轴的第二旋转轴旋转发送第二激光平面信号;超声波发 射器用于发送超声波信号。
[0046] 可选地,第一旋转轴与第二旋转轴能够相交。然而,本实施例对此并不限定。于实 际应用中,第一旋转轴与第二旋转轴可不相交,例如,第一旋转轴与第二旋转轴确定的一对 平行平面之间的垂直距离在相应的预定范围内。
[0047] 可选地,超声波发射器位于第一旋转轴与第二旋转轴的交点处。然而,本实施例对 此并不限定。于实际应用中,超声波发射器可位于第一旋转轴与第二旋转轴的交点附近(例 如,以该交点为球心的预定范围内)。此外,当第一旋转轴与第二旋转轴不相交时,超声波发 射器可位于第一交点处或附近(例如,以该第一交点为球心的预定范围内),该第一交点为 垂直于第一旋转轴且平行于第二旋转轴的直线与第一旋转轴的交点;或者,超声波发射器 可位于第二交点处或附近(例如,以该第二交点为球心的预定范围内),该第二交点为垂直 于第二旋转轴且平行于第一旋转轴的直线与第二旋转轴的交点。
[0048] 可选地,第一同步装置例如为无线电通信电路。然而,本实施例对此并不限定。于 其他实施例中,第一同步装置例如为发光二极管(LED,Light Emitting Diode),通过发送 光信号,用于时间同步。
[0049] 如图1所示,待定位标记设备包括:第二同步装置、光电感应电路以及超声波接收 器。其中,第二同步装置用于从定位基站同步基准时刻;光电感应电路用于检测定位基站发 送的第一激光平面信号以及第二激光平面信号;超声波接收器用于检测定位基站发送的超 声波信号。
[0050] 可选地,第二同步装置例如为无线电通信电路。然而,本发明实施例对此并不限 定。于其他实施例中,第二同步装置还可以接收光信号进行时间同步。需要说明的是,第一 同步装置与第二同步装置需要对应,例如,当第一同步装置为无线电通信电路时,第二同步 装置亦为无线电通信电路。换言之,第一同步装置与第二同步装置采用对应的信号发射与 信号检测技术,以实现定位基站与待定位标记设备之间的时间同步。
[0051] 具体而言,在三维空间检测系统工作时,定位基站的第一同步装置向待定位标记 设备同步基准时刻;定位基站的旋转激光平面发射器的激光点亮,且定位基站内部的电机 支架带动旋转激光平面发射器的转头旋转,不断向周围空间旋转发射激光平面信号;定位 基站的超声波发射器向周围空间不断发送超声波信号,例如以10HZ的脉冲频率,40KHz的调 制频率发送超声波。如此,定位基站可以为待定位标记设备提供尚精度、尚频率、低延迟的 定位数据。
[0052]同时,待定位标记设备的第二同步装置会从第一同步装置同步基准时刻;光电感 应电路在被激光平面信号扫到时,会记录被扫到的时刻;超声波接收器在检测到超声波信 号时,会记录检测到超声波信号的时刻。
[0053]此外,本发明实施例还提供一种三维空间定位方法。图2为本发明一实施例提供的 三维空间定位方法的流程图。如图2所示,本实施例提供的三维空间定位方法,包括以下步 骤:
[0054] 步骤201:当定位基站与待定位标记设备同步基准时刻后,且待定位标记设备检测 到第一激光平面信号、第二激光平面信号以及超声波信号时,根据定位基站发送第一激光 平面信号的第一参考信号、定位基站发送第二激光平面信号的第二参考时刻、待定位标记 设备检测到第一激光平面信号的第一时刻以及检测到第二激光平面信号的第二时刻,确定 第一旋转角度以及第二旋转角度;
[0055]其中,第一旋转角度为所述第一时刻第一激光平面信号相对于第一旋转轴和第二 旋转轴所确定平面的角度,第二旋转角度为所述第二时刻第二激光平面信号相对于第一旋 转轴和第二旋转轴所确定平面的角度,第一参考时刻为定位基站发送的第一激光平面信号 相对于第一旋转轴与第二旋转轴所确定平面的角度为第一参考角度的时刻,第二参考时刻 为定位基站发送的第二激光平面信号相对于第一旋转轴与第二旋转轴所确定平面的角度 为第二参考角度的时刻。
[0056] 具体而言,通过同步定位基站和待定位标记设备的基准时刻,确保定位基站和待 定位标记设备的时钟同步,以确保后续进行的计算基于相同的基准。
[0057] 具体而言,根据定位基站发送第一激光平面信号的第一参考时刻以及待定位标记 设备检测到第一激光平面信号的第一时刻,确定所述第一时刻与所述第一参考时刻之间的 关系,根据所述第一时刻与第一参考时刻之间的关系以及所述第一参考时刻对应的第一参 考角度,确定所述第一旋转角度;
[0058]根据定位基站发送第二激光平面信号的第二参考时刻以及待定位标记设备检测 到第二激光平面信号的第二时刻,确定所述第二时刻与所述第二参考时刻之间的关系,根 据所述第二时刻与第二参考时刻之间的关系以及所述第二参考时刻对应的第二参考角度, 确定所述第二旋转角度。
[0059] 可选地,所述第一参考时刻等于第二参考时刻,第一参考角度等于第二参考角度。 然而,本实施例对此并不限定。
[0060] 于本实施例中,需要说明的是,第一旋转轴与第二旋转轴所确定的平面包括以下 情况:当第一旋转轴与第二旋转轴能够相交时,第一旋转轴与第二旋转轴所确定的平面即 为第一旋转轴与第二旋转轴唯一确定的平面;当第一旋转轴与第二旋转轴不相交时,第一 旋转轴与第二旋转轴所确定的平面指第一旋转轴与第二旋转轴确定的一对平行平面。
[0061] 步骤202:根据定位基站发送超声波信号的发送时刻以及待定位标记设备检测到 超声波信号的时刻,确定待定位标记设备与定位基站之间的距离。
[0062] 具体而言,根据所述定位基站发送超声波信号的发送时刻以及所述待定位标记设 备检测到超声波信号的时刻确定所述超声波信号从所述定位基站到所述待定位标记设备 的传输时长,根据所述传输时长以及声音在空气中的传输速度,确定所述待定位标记设备 与所述定位基站之间的距离。
[0063]步骤203:根据第一旋转角度、第二旋转角度以及待定位标记设备与定位基站之间 的距离,确定待定位标记设备在三维测量坐标系中的三维坐标。
[0064]其中,当所述三维测量坐标系为笛卡尔坐标系,所述第一旋转轴为X轴,所述第二 旋转轴为Y轴时,根据下式求解得到所述待定位标记设备在该三维测量坐标系中的三维坐 标:
[0065] X〇2+Y〇2+Zo2 = L2
[0066] Y〇 X tana = X〇 X tanP = Zo,
[0067] 其中,(Xo,Yo,Zo)表示待定位标记设备在三维测量坐标系中的三维坐标,L为所述 待定位标记设备与定位基站之间的距离,α为第一旋转角度,β为第二旋转角度。
[0068]此外,本发明实施例还提供一种三维空间定位系统,包括:三维空间检测系统以及 计算装置;所述计算装置,用于当定位基站与待定位标记设备同步基准时刻后,且待定位标 记设备检测到第一激光平面信号、第二激光平面信号以及超声波信号时,根据定位基站发 送第一激光平面信号的第一参考时刻、定位基站发送第二激光平面信号的第二参考时刻、 待定位标记设备检测到第一激光平面信号的第一时刻以及检测到第二激光平面信号的第 二时刻,确定第一旋转角度以及第二旋转角度,其中,第一旋转角度为第一时刻第一激光平 面信号相对于第一旋转轴与第二旋转轴所确定平面的角度,第二旋转角度为第二时刻第二 激光平面信号相对于第一旋转轴与第二旋转轴所确定平面的角度,第一参考时刻为定位基 站发送的第一激光平面信号相对于第一旋转轴与第二旋转轴所确定平面的角度为第一参 考角度的时刻,第二参考时刻为定位基站发送的第二激光平面信号相对于第一旋转轴与第 二旋转轴所确定平面的角度为第二参考角度的时刻;用于根据定位基站发送超声波信号的 发送时刻以及待定位标记设备检测到超声波信号的时刻,确定待定位标记设备与定位基站 之间的距离;用于根据第一旋转角度、第二旋转角度以及所述距离,确定待定位标记设备在 三维测量坐标系中的三维坐标。
[0069] 其中,计算装置,用于根据所述第一旋转角度、所述第二旋转角度以及所述距离, 确定所述待定位标记设备在三维测量坐标系中的三维坐标,是指:
[0070] 当所述三维测量坐标系为笛卡尔坐标系,所述第一旋转轴为X轴,所述第二旋转轴 为Y轴时,计算装置根据下式求解得到所述待定位标记设备在该三维测量坐标系中的三维 坐标:
[0071] X〇2+Y〇2+Z〇2 = L2
[0072] Y〇 X tana = X〇 X tanP = Zo,
[0073] 其中,(Xo,Yo,Zo)表示待定位标记设备在三维测量坐标系中的三维坐标,L为所述 待定位标记设备与定位基站之间的距离,α为第一旋转角度,β为第二旋转角度。
[0074]其中,计算装置,用于根据定位基站发送第一激光平面信号的第一参考时刻、定位 基站发送第二激光平面信号的第二参考时刻、待定位标记设备检测到第一激光平面信号的 第一时刻以及检测到第二激光平面信号的第二时刻,确定第一旋转角度以及第二旋转角 度,是指:
[0075] 计算装置根据定位基站发送第一激光平面信号的第一参考时刻以及待定位标记 设备检测到第一激光平面信号的第一时刻,确定所述第一时刻与所述第一参考时刻之间的 关系,根据所述第一时刻与第一参考时刻之间的关系以及所述第一参考时刻对应的第一参 考角度,确定第一旋转角度;
[0076] 计算装置根据定位基站发送第二激光平面信号的第二参考时刻以及待定位标记 设备检测到第二激光平面信号的第二时刻,确定所述第二时刻与所述第二参考时刻之间的 关系,根据所述第二时刻与第二参考时刻之间的关系以及所述第二参考时刻对应的第二参 考角度,确定第二旋转角度。
[0077]其中,计算装置,用于根据所述定位基站发送超声波信号的发送时刻以及所述待 定位标记设备检测到所述超声波信号的时刻,确定所述待定位标记设备与所述定位基站之 间的距离,是指:
[0078] 计算装置根据定位基站发送超声波信号的发送时刻以及所述待定位标记设备检 测到超声波信号的时刻确定所述超声波信号从所述定位基站到所述待定位标记设备的传 输时长,根据所述传输时长以及声音在空气中的传输速度,确定所述待定位标记设备与所 述定位基站之间的距离。
[0079] 于一实施例中,所述计算装置例如设置于待定位标记设备。具体而言,待定位标记 设备在检测到第一激光平面信号、第二激光平面信号以及超声波信号时,记录检测到的各 个信号的时刻信息,据此,计算装置分别计算第一旋转角度、第二旋转角度以及与定位基站 之间的距离,再根据第一旋转角度、第二旋转角度以及与定位基站之间的距离计算待定位 标记设备在三维测量坐标系中的三维坐标。
[0080] 于一实施例中,所述计算装置例如设置于定位基站。具体而言,待定位标记设备在 检测到第一激光平面信号、第二激光平面信号以及超声波信号时,记录检测到各个信号的 时刻信息,并将记录的检测到各个信号的时刻信息发送给定位基站,接着,计算装置根据基 准时刻以及待定位标记设备检测到各个信号的时刻信息计算第一旋转角度、第二旋转角度 以及待定位标记设备与定位基站之间的距离,之后,根据第一旋转角度、第二旋转角度以及 待定位标记设备与定位基站之间的距离计算待定位标记设备在三维测量坐标中的三维坐 标,之后,定位基站可将计算得到的三维坐标发送给待定位标记设备。
[0081] 然而,本发明对此并不限定。于其他实施例中,计算装置亦可以设置于独立于定位 基站和待定位标记设备的其他设备。
[0082] 图3为本发明一实施例提供的三维定位系统的示意图。如图3所示,计算装置例如 设置于待定位标记设备。图4为本发明实施例提供的三维定位方法的原理图。
[0083] 接下来,一并参照图3及图4,以计算装置设置于待定位标记设备为例对本发明实 施例提供的三维空间定位方法进行详细说明。
[0084]如图4所示,以三维测量坐标系为笛卡尔坐标系为例进行说明。其中,第一旋转轴 为X轴,第二旋转轴为Y轴,定位基站的超声波发射器所在位置为三维测量坐标系的原点0。 然而,本实施例对此并不限定。于实际应用中,定位基站所在位置例如为原点〇(此时,超声 波发射器的所在位置可能位于原点0附近)。定位基站的旋转激光平面发射器A绕着X轴旋转 发送第一激光平面信号,转速例如为wl;定位基站的旋转激光平面发射器B绕着Y轴旋转发 送第二激光平面信号,转速例如为《2d轴和Y轴所确定的平面为Χ0Υ平面。然而,本实施例对 此并不限定。于实际应用中,定位基站的旋转激光平面发射器A例如绕着平行于X轴的第一 旋转轴旋转发送第一激光平面信号,定位基站的旋转激光平面发射器B绕着Y轴(第二旋转 轴)旋转发送第二激光平面信号,且第一旋转轴与Y轴垂直且不相交,此时,第一旋转轴与Y 轴能够确定一对平行平面(包括Χ0Υ平面以及与Χ0Υ平面平行的平面);或者,定位基站的旋 转激光平面发射器A绕着X轴(第一旋转轴)旋转发送第一激光平面信号,定位基站的旋转激 光平面发射器B例如绕着平行于Y轴的第二旋转轴旋转发送第二激光平面信号,且第二旋转 轴与X轴垂直且不相交,此时,第二旋转轴与X轴能够确定一对平行平面(包括Χ0Υ平面以及 与Χ0Υ平面平行的平面)。其中,该对平行平面之间的垂直距离例如在预定范围内。
[0085] 于此,定位基站通过第一同步装置(如无线电通信电路)向待定位标记设备同步基 准时刻。具体而言,通过基准时刻的同步,确保定位基站与待定位标记设备能够保持时钟同 步,以确保后续涉及的时刻信息基于同一基准。然而,本实施例对此并不限定。定位基站还 可以通过产生光信号向待定位标记同步基准时刻。
[0086] 于此,定位基站还会通过第一同步装置(如无线电通信电路)向待定位标记设备传 输发送第一激光平面信号以及第二激光平面信号的参考时刻。于此,将定位基站的旋转激 光平面发射器A在第一参考角度发射第一激光平面信号的时刻称为第一参考时刻,将定位 基站的旋转激光平面发射器B在第二参考角度发射第二激光平面信号的时刻称为第二参考 时刻。其中,第一参考时刻以及第二参考时刻例如为相同时刻或不同时刻。本发明实施例对 此并不限定。其中,第一参考角度与第二参考角度可相同或不同。第一参考角度和第二参考 角度例如均为〇,即在第一参考时刻(或第二参考时刻),旋转激光平面发射器A(或B)发送的 激光平面信号相对于XOY平面的角度为0。然而,本发明实施例对此并不限定。第一参考角度 和第二参考角度亦可取其他值。其中,当第一参考角度与第二参考角度相同且旋转激光平 面发射器Α和Β的转速相同时,第一参考时刻与第二参考时刻为同一时刻。于此,第一个第一 参考时刻和/或第一个第二参考时刻例如为基准时刻。
[0087]具体而言,当定位基站的旋转激光平面发射器A(或B)每次旋转至第一参考角度 (或第二参考角度)发送激光平面信号时,定位基站会通过第一同步装置(如无线电通信电 路)向待定位标记设备发送第一参考时刻(或第二参考时刻)。于此,参照图4,当第一参考角 度为〇(即旋转平面S1与Χ0Υ平面的夹角为0)时,以第一激光平面信号为例进行说明,第一旋 转角度α为旋转平面S1与Χ0Υ平面的夹角,当定位基站的旋转激光平面发射器A绕着X轴顺时 针旋转发送第一激光平面信号时,计算装置可以根据下式确定第一旋转角度:
Figure CN105607034AD00131
[0089]当定位基站的旋转激光平面发射器A绕着X轴逆时针旋转发送第一激光平面信号 时,计算装置可以根据下式确定第一旋转角度:
Figure CN105607034AD00132
[0091]其中,α为第一旋转角度,Ti为待定位标记设备检测到第一激光平面信号的时刻, Tow为待定位标记设备最近一次从定位基站接收到的第一参考时刻(如第N个第一参考时 刻),Το(Ν- υ为待定位标记设备前一次从定位基站接收到的第一参考时刻(如第N-1个第一参 考时刻)为定位基站的旋转激光平面发射器Α的转速。
[0092]同理,第二旋转角度β为旋转平面S2与Χ0Υ平面的夹角,其确定方式类似于第一旋 转角度,故于此不再赘述。需要说明的是:当转速与《2不同或者旋转激光平面发射器Α和Β 对应的第一参考角度和第二参考角度不同,而导致第一参考时刻不同于第二参考时刻时, 定位基站需要将第一参考时刻以及第二参考时刻分别发送给待定位标记设备。
[0093] 另外,计算装置可以根据下式确定待定位标记设备与定位基站之间的距离:
[0094] L=(T3-T(/)Xv,
[0095] 其中,L为待定位标记设备与定位基站之间的距离,T3为待定位标记设备检测到超 声波信号的时刻,To'为定位基站发送超声波信号的发送时刻,V为声音在空气中的传播速 度。其中,V在1个标准大气压和15°C的条件下约为340米/秒。
[0096]需要说明的是,第一个第一参考时刻、第一个第二参考时刻以及超声波信号的发 送时刻可相同(例如为基准时刻)或不同。本实施例对此并不限定。
[0097]在得到第一旋转角度、第二旋转角度以及待定位标记设备与定位基站之间的距离 之后,计算装置可以根据下式求解得到待定位标记设备在三维测量坐标系中的三维坐标:
[0098] X〇2+Y〇2+Zo2 = L2
[0099] Y〇 X tana = X〇 X tanP = Zo,
[0100] 其中,(Χο,Υο,Ζ〇)表示待定位标记设备在三维测量坐标系中的三维坐标,L为所述 待定位标记设备与定位基站之间的距离,α为第一旋转角度,β为第二旋转角度。
[0101] 综上所述,本发明实施例基于超声波和激光信号能够实现室内精确定位。本发明 实施例通过同步装置(如无线电通信电路)进行定位基站与待定位标记设备的基准时刻同 步以及时刻信息传输,能够支持定位基站与待定位标记设备的配对使用,进而可以支持多 基站的扩展应用;而且,本实施例提供的待定位标记设备成本较低、易于实现小型化,扩大 了应用场景。
[0102] 通过以上的实施方式的描述,本领域的技术人员可以清楚地了解到根据上述实施 例的方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现,当然也可以通过硬件,但很多 情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有 技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储 介质(如R0M/RAM、磁碟、光盘)中,包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机,计算 机,服务器,或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
[0103] 显然,本领域的技术人员应该明白,上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用 的计算装置来实现,它们可以集中在单个的计算装置上,或者分布在多个计算装置所组成 的网络上,可选地,它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现,从而,可以将它们存储 在存储装置中由计算装置来执行,并且在某些情况下,可以以不同于此处的顺序执行所示 出或描述的步骤,或者将它们分别制作成各个集成电路模块,或者将它们中的多个模块或 步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样,本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
[0104] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本发明不受上 述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明 精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的 本发明范围内。

Claims (12)

1. 一种三维空间检测系统,其特征在于,包括: 定位基站以及待定位标记设备; 所述定位基站,用于向待定位标记设备同步基准时刻、发送超声波信号、绕着第一旋转 轴旋转发送第一激光平面信号以及绕着第二旋转轴旋转发送第二激光平面信号,其中,所 述第一旋转轴与第二旋转轴相互垂直; 所述待定位标记设备,用于从所述定位基站同步基准时刻,检测所述超声波信号、所述 第一激光平面信号以及所述第二激光平面信号。
2. 如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述定位基站包括: 第一同步装置,用于向待定位标记设备同步基准时刻; 第一旋转激光平面发射器,用于绕着第一旋转轴旋转发送第一激光平面信号; 第二旋转激光平面发射器,用于绕着第二旋转轴旋转发送第二激光平面信号; 超声波发射器,用于发送超声波信号。
3. 如权利要求2所述的系统,其特征在于,所述超声波发射器位于所述第一旋转轴与所 述第二旋转轴的交点处。
4. 权利要求1所述的系统,其特征在于,所述待定位标记设备包括: 第二同步装置,用于从所述定位基站同步基准时刻; 光电感应电路,用于检测所述定位基站发送的第一激光平面信号以及第二激光平面信 号; 超声波接收器,用于检测所述定位基站发送的超声波信号。
5. -种基于如权利要求1至4任一项所述的三维空间检测系统的三维空间定位方法,其 特征在于,包括: 当定位基站与待定位标记设备同步基准时刻后,且待定位标记设备检测到第一激光平 面信号、第二激光平面信号以及超声波信号时,根据定位基站发送第一激光平面信号的第 一参考时刻、定位基站发送第二激光平面信号的第二参考时刻、待定位标记设备检测到第 一激光平面信号的第一时刻以及检测到第二激光平面信号的第二时刻,确定第一旋转角度 以及第二旋转角度,其中,所述第一旋转角度为所述第一时刻所述第一激光平面信号相对 于第一旋转轴与第二旋转轴所确定平面的角度,所述第二旋转角度为所述第二时刻所述第 二激光平面信号相对于第一旋转轴与第二旋转轴所确定平面的角度,所述第一参考时刻为 定位基站发送的第一激光平面信号相对于第一旋转轴与第二旋转轴所确定平面的角度为 第一参考角度的时刻,所述第二参考时刻为定位基站发送的第二激光平面信号相对于第一 旋转轴与第二旋转轴所确定平面的角度为第二参考角度的时刻; 根据所述定位基站发送超声波信号的发送时刻以及所述待定位标记设备检测到所述 超声波信号的时刻,确定所述待定位标记设备与所述定位基站之间的距离; 根据所述第一旋转角度、所述第二旋转角度以及所述距离,确定所述待定位标记设备 在三维测量坐标系中的三维坐标。
6. 如权利要求5所述的方法,其特征在于,所述根据所述第一旋转角度、所述第二旋转 角度以及所述距离,确定所述待定位标记设备在三维测量坐标系中的三维坐标,包括: 当所述三维测量坐标系为笛卡尔坐标系,所述第一旋转轴为X轴,所述第二旋转轴为Y 轴时,根据下式求解得到所述待定位标记设备在该三维测量坐标系中的三维坐标: Xo2+Yo2+Zo2 = L2 Yo X tana = X〇 X tanP=Zo ? 其中,(Χο,Υο,Ζ〇)表示待定位标记设备在三维测量坐标系中的三维坐标,L为所述待定 位标记设备与定位基站之间的距离,α为第一旋转角度,β为第二旋转角度。
7. 如权利要求5所述的方法,其特征在于,所述根据定位基站发送第一激光平面信号的 第一参考时刻、定位基站发送第二激光平面信号的第二参考时刻、待定位标记设备检测到 第一激光平面信号的第一时刻以及检测到第二激光平面信号的第二时刻,确定第一旋转角 度以及第二旋转角度,包括: 根据定位基站发送第一激光平面信号的第一参考时刻以及待定位标记设备检测到第 一激光平面信号的第一时刻,确定所述第一时刻与所述第一参考时刻之间的关系,根据所 述第一时刻与第一参考时刻之间的关系以及所述第一参考时刻对应的第一参考角度,确定 所述第一旋转角度; 根据定位基站发送第二激光平面信号的第二参考时刻以及待定位标记设备检测到第 二激光平面信号的第二时刻,确定所述第二时刻与所述第二参考时刻之间的关系,根据所 述第二时刻与第二参考时刻之间的关系以及所述第二参考时刻对应的第二参考角度,确定 所述第二旋转角度。
8. 如权利要求5所述的方法,其特征在于,所述根据所述定位基站发送超声波信号的发 送时刻以及所述待定位标记设备检测到所述超声波信号的时刻,确定所述待定位标记设备 与所述定位基站之间的距离,包括: 根据所述定位基站发送超声波信号的发送时刻以及所述待定位标记设备检测到超声 波信号的时刻确定所述超声波信号从所述定位基站到所述待定位标记设备的传输时长,根 据所述传输时长以及声音在空气中的传输速度,确定所述待定位标记设备与所述定位基站 之间的距离。
9. 一种三维空间定位系统,其特征在于,包括:如权利要求1至4任一项所述的三维空间 检测系统以及计算装置, 所述计算装置,用于当定位基站与待定位标记设备同步基准时刻后,且待定位标记设 备检测到第一激光平面信号、第二激光平面信号以及超声波信号时,根据定位基站发送第 一激光平面信号的第一参考时刻、定位基站发送第二激光平面信号的第二参考时刻、待定 位标记设备检测到第一激光平面信号的第一时刻以及检测到第二激光平面信号的第二时 亥IJ,确定第一旋转角度以及第二旋转角度,其中,所述第一旋转角度为所述第一时刻所述第 一激光平面信号相对于第一旋转轴与第二旋转轴所确定平面的角度,所述第二旋转角度为 所述第二时刻所述第二激光平面信号相对于第一旋转轴与第二旋转轴所确定平面的角度, 所述第一参考时刻为定位基站发送的第一激光平面信号相对于第一旋转轴与第二旋转轴 所确定平面的角度为第一参考角度的时刻,所述第二参考时刻为定位基站发送的第二激光 平面信号相对于第一旋转轴与第二旋转轴所确定平面的角度为第二参考角度的时刻; 用于根据所述定位基站发送超声波信号的发送时刻以及所述待定位标记设备检测到 所述超声波信号的时刻,确定所述待定位标记设备与所述定位基站之间的距离; 用于根据所述第一旋转角度、所述第二旋转角度以及所述距离,确定所述待定位标记 设备在三维测量坐标系中的三维坐标。
10. 如权利要求9所述的系统,其特征在于,所述计算装置,用于根据所述第一旋转角 度、所述第二旋转角度以及所述距离,确定所述待定位标记设备在三维测量坐标系中的三 维坐标,是指: 当所述三维测量坐标系为笛卡尔坐标系,所述第一旋转轴为X轴,所述第二旋转轴为Y 轴时,所述计算装置根据下式求解得到所述待定位标记设备在该三维测量坐标系中的三维 坐标: Xo2+Yo2+Zo2 = L2 Yo X tana = Χ〇 X tanP=Ζο ? 其中,(Χο,Υο,Ζ〇)表示待定位标记设备在三维测量坐标系中的三维坐标,L为所述待定 位标记设备与定位基站之间的距离,α为第一旋转角度,β为第二旋转角度。
11. 如权利要求9所述的系统,其特征在于,所述计算装置,用于根据定位基站发送第一 激光平面信号第一参考时刻、定位基站发送第二激光平面信号的第二参考时刻、待定位标 记设备检测到第一激光平面信号的第一时刻以及检测到第二激光平面信号的第二时刻,确 定第一旋转角度以及第二旋转角度,是指: 所述计算装置根据定位基站发送第一激光平面信号的第一参考时刻以及待定位标记 设备检测到第一激光平面信号的第一时刻,确定所述第一时刻与所述第一参考时刻之间的 关系,根据所述第一时刻与第一参考时刻之间的关系以及所述第一参考时刻对应的第一参 考角度,确定所述第一旋转角度; 所述计算装置根据定位基站发送第二激光平面信号的第二参考时刻以及待定位标记 设备检测到第二激光平面信号的第二时刻,确定所述第二时刻与所述第二参考时刻之间的 关系,根据所述第二时刻与第二参考时刻之间的关系以及所述第二参考时刻对应的第二参 考角度,确定所述第二旋转角度。
12. 如权利要求9所述的系统,其特征在于,所述计算装置,用于根据所述定位基站发送 超声波信号的发送时刻以及所述待定位标记设备检测到所述超声波信号的时刻,确定所述 待定位标记设备与所述定位基站之间的距离,是指: 所述计算装置根据所述定位基站发送超声波信号的发送时刻以及所述待定位标记设 备检测到超声波信号的时刻确定所述超声波信号从所述定位基站到所述待定位标记设备 的传输时长,根据所述传输时长以及声音在空气中的传输速度,确定所述待定位标记设备 与所述定位基站之间的距离。
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