CN106289198A

CN106289198A - 三维空间激光定位技术

Info

Publication number: CN106289198A
Application number: CN201610922799.9A
Authority: CN
Inventors: 白亚伟
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2017-01-04

Abstract

本发明公开了一种三维空间激光定位技术，属于激光辅助测量领域，用于解决三维空间中目标点的定位问题，本技术利用了三个一字线激光器周期性扫描三维空间，空间中的目标点处安装光敏接收器件接受激光照射，通过计时的方法计算出三个激光面的平面方程，通过求解三平面交点坐标的方法完成目标点定位，具有高精度、低延时、低成本的特点，可用于虚拟现实(Virtual Reality)应用中定位参与者身体坐标、手持装备或佩戴装备坐标，从而实现参与者与虚拟世界的互动。

Description

三维空间激光定位技术

一、技术领域

本发明属于激光辅助测量领域，特别是涉及被测目标的三维空间定位。

二、技术背景

在虚拟现实(Virtual Reality)应用中，为了实现人与虚拟世界的交互，必须解决输入问题，传统的输入方式：键盘与鼠标变得不再适用，新方式要求实时定位使用者身体、头部、手、操作手柄、道具等的三维空间坐标，从而完成向虚拟世界输入。

现有解决方案多基于两种技术：微机械陀螺仪(MEMS)技术、基于图像分析的光学定位技术。MEMS多见于手机中，存在数据稳定性差、零点漂移厉害、无法绝对定位的缺点；基于图像分析的光学定位技术由于必须经过图像采集环节，造成处理延时比较大，计算量大，高帧率摄像头的价格昂贵，总体拥有成本较高。

虚拟现实技术的发展，呼唤高精度、低延时、低价格、易于使用的实时定位技术。

三、发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种三维空间激光定位技术。

本发明采用的技术方案是：发射装置由固定安装的三个一字线激光器和一个同步闪光器以及相关控制电路组成，一字线激光器可以绕自身轴线以恒定速率旋转；接收装置由一个光敏接收器件(即被定位点)以及相关测量电路组成，可以接收激光发射器和同步闪光器的照射输出电信号。

技术原理是：由于每个一字线激光器的安装位置是固定的，激光器的旋转速率也是恒定的，因此每一时刻激光扫描面的平面方程就是已知的，光敏接收器件分别接受三个激光器的照射，可确定三个平面方程，求此三平面方程的交叉点坐标，就完成了定位。同步闪光器的作用是：同步扫描周期的时间起点。同步闪光器的作用原理是：扫描周期开始时发出特定频率的频闪信号，光敏接收器件检测到该信号后开始计时，因为频闪信号是面向全空域的，所以不论接收器在什么位置都能接收到。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：实时性好——每秒可完成50-100次定位；计算复杂度低——接收器只需解一组线性方程即可得出坐标，用普通的单片机就可做到；定位精度高——定位误差取决于接收器的计时误差，普通单片机的定时误差＜1us，对于扫描频率50Hz、距离3000mm远处，1us激光扫过的距离只有0.943mm；覆盖面广——一个发射装置可以覆盖1000m³的定位空间，可实现多点定位不增加系统负担；成本低、体积小、功耗低——接收装置只需要一个光敏二极管+一个普通单片机；实施简单——即装即用、即插即用，无需现场标定。

四、附图说明

图1是发射装置图；

图2是水平扫描开始图；

图3是水平扫描图；

图4是垂直扫描开始图；

图5是垂直扫描图；

图中：11、安装架，12、左一字线激光器，13、中一字线激光器，14、激光发射孔，15、同步闪光器，16、右一字线激光器，21、左一字线激光器扫描面，22、右一字线激光器扫描面，23、光敏接收器件，24、接收装置，31、左右激光器扫描面交叉线，32、左激光扫描面旋转角度，33、右激光扫描面旋转角度，41、中一字线激光器扫描面，51、中激光扫描面旋转角度。

五、具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

1.发射装置说明。每个一字线激光器通过内置电机带动以恒定速率旋转，三个一字线激光器的旋转速率、旋转相位由控制电路精确控制，其中左激光器(12)逆时针方向旋转(顶视视角)，右激光器(16)顺时针方向旋转(顶视视角)，中间激光器(13)顺时针方向旋转(左视视角)。三个激光器的旋转角速度严格相等，其中左、右激光器的相位相同，中间激光器的相位相差180°。

2.扫描周期开始。参见图2，同步闪光器(15)发出几个脉冲的频闪信号，然后开启左、右激光器的照射(此时中间激光器虽然也在同步旋转但是激光发射是关闭的)，左激光器向左照射(21)，右激光器向右照射(22)，两个照射面刚好处于同一平面。接收装置(24)收到频闪信号后开始计时，取得计时同步。

3.水平扫描，定位一条直线。参见图3，左激光器逆时针旋转，激光面扫过光敏接收器件(23)，接收装置记录下扫描时间，乘以激光器旋转角速度，得到左激光器旋转角度(32)，从而得到左激光面(21)的平面方程。同理，得到右激光面(22)的平面方程，求两平面交线，得到一条直线方程(31)，被定位点(23)就在这条直线上。

4.垂直扫描开始。参见图4，当左、右激光面以相同速率旋转到180°的时刻，同时关闭左、右激光器发射并开启中间激光器(13)发射。因为中间激光器与左、右激光器的相位差为180°，因此此刻发出的激光面(41)是垂直向上的。接收装置从同步信号开始向后延时半个扫描周期同步到此时刻，作为垂直扫描的起点。

5.垂直扫描，定位最终点。参见图5，中间激光器顺时针扫描，激光面(41)扫过光敏接收器件(23)，接收装置记录下扫描时间，乘以激光器旋转角速度，得到中间激光器旋转角度(51)，从而得到中间激光面(41)的平面方程，该方程与水平扫描得到的直线方程(31)求交点，得到目标点(23)坐标，完成定位。

6.开始一个新扫描周期。当垂直扫描快结束的时候(例如已扫描了170°)，开启同步闪光器(15)的频闪，结束时刻(垂直扫描到180°)关闭中间激光器的发射同时关闭同步闪光器频闪，开始下一个扫描周期。接收装置因为收到同步频闪信号而复位计时器，重新开始新周期计时。如此周而复始，目标点被连续定位。

Claims

1.一种三维空间激光定位技术，由发射装置和接收装置组成，发射装置由三个一字线激光器、一个同步闪光器、控制电路组成，接收装置由一个光敏接收器件、检测电路组成。

2.根据权利要求1所述的三维空间激光定位技术，其特征在于，一字线激光器发出的激光形成一个扫描面，并绕自身轴线旋转使扫描面扫过三维空间。

3.根据权利要求1所述的三维空间激光定位技术，其特征在于，同步闪光器定时发出特定频率的频闪信号，光敏接收器件接收到该频率的频闪信号后，开始扫描周期计时。

4.根据权利要求1所述的三维空间激光定位技术，其特征在于，光敏接收器件分别接收三个一字线激光器的扫描信号，通过计时测量三个扫描面的旋转角度位置，计算三面相交于一点的坐标，从而完成定位。