CN106842229A - 一种激光云台智能空间定位系统及空间定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光云台智能空间定位系统及空间定位方法，包括距离采集子系统、角度控制子系统和标记子系统，距离采集子系统包括由激光测距探头组成的探头阵列，探头阵列跟随标记子系统，并监测来自同一方向探头阵列与标记子系统的距离信息，每个激光测距探头分别收集独立的距离信息；角度控制子系统对距离采集子系统的水平角度和俯仰角度，使距离采集子系统对准标记子系统；标记子系统为距离采集子系统提供对准信号，并接受距离采集子系统的对准测量作业，及配合角度控制子系统的修正锁定作业。该系统利用激光测距，能够实现大范围测量及准确定位，同时提高设备的抗干扰能力，利用空间定位方法可以进一步提升测量精度。

Description

一种激光云台智能空间定位系统及空间定位方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，尤其是一种激光云台智能空间定位系统及空间定位方法。

背景技术

现有无线通讯测距设备中，主要是由地面三个无线信号收发点和空中一个无线信号收发点四个部分组成。其主要原理是使用无线电波的发散传播，并测量几个收发点的时间，计算各个收发点的距离信息。然后通过带入计算，得出空中收发点的相对位置信息。

上述技术在用于大范围测试及定位测量时，存在以下问题和缺点：

（1）现有技术测量精度较低，主要问题在于硬件组成部分的技术受限，会因为硬件反应的不及时造成移动物体的空间定位不准确，同时受到无线电波干扰的影响会加大使用场地的局限性。无线电波实际使用中会因为硬件原因造成精确定位达不到实际要求，测量精度得不到满足；

（2）现有技术的使用较为不便，现有技术需要四个收发模块同时运行才能实现空间位置的定位，相对应的在测量开始布放、回收器材需要多点布放、多点回收使用不便；

（3）现有技术的致命缺点在于实用无线电波通讯测量各个收发点的距离信息，受限于硬件设备的误差，测量精度无法满足精密测绘的需求，空间定位达不到所需要的精确值。且无线信号发射中，会因为收发天线的不能同步移动带来测量信号丢失的现象发生。

发明内容

针对以上问题和缺陷，本发明提供一种激光云台智能空间定位系统及空间定位方法，该系统利用激光测距，能够实现大范围测量及准确定位，同时提高设备的抗干扰能力，利用空间定位方法可以进一步提升测量精度。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种激光云台智能空间定位系统，其特征在于包括距离采集子系统、角度控制子系统和标记子系统，其中：所述距离采集子系统包括由激光测距探头组成的探头阵列，探头阵列跟随标记子系统，并监测来自同一方向探头阵列与标记子系统的距离信息，每个激光测距探头分别收集独立的距离信息；所述角度控制子系统对距离采集子系统的水平角度和俯仰角度，使距离采集子系统对准标记子系统；所述标记子系统为远程位置可控的采集标记，标记子系统为距离采集子系统提供对准信号，并接受距离采集子系统的对准测量作业，及配合角度控制子系统的修正锁定作业。

对上述方案作进一步补充，所述距离采集子系统包括激光测距探头以及上表面分布有激光测距探头的激光探头载板，激光测距探头平行等距排列。

对上述方案作进一步补充，所述激光测距探头排列方式为四边形矩形阵列或六角形蜂窝状阵列平行排列。

对上述方案作进一步补充，所述角度控制子系统包括设于激光探头载板下表面中部俯仰转轴，激光探头载板可绕俯仰转轴转动，俯仰转轴两端固定于竖直支柱上，竖直支柱固定于水平转台表面，水平转台与支撑三脚架通过水平转轴连接；还包括俯仰角度传感器、水平角度传感器、俯仰驱动电机、水平驱动电机和控制器，其中俯仰角度传感器固定于俯仰转轴上，俯仰转轴通过俯仰驱动电机驱动，水平角度传感器固定于水平转台上，竖直支柱通过水平驱动电机驱动旋转，控制器控制俯仰驱动电机和水平驱动电机转速及启停，俯仰角度传感器和水平角度传感器分别采集激光探头载板和水平转台的转动角度，并把数值反馈至控制器。

对上述方案作进一步补充，所述标记子系统包括飞行器以及悬挂于飞行器下方的高光体，其中飞行器可接收距离采集子系统的位置信息，并反馈位置信号至角度控制子系统，高光体通过远距离遥控的飞行器带动。

对上述方案作进一步补充，还包括控制管理子系统，所述控制管理子系统分别与距离采集子系统、角度控制子系统连接，显示测量距离、偏移角度，并计算、记录、分享标记子系统的坐标数据。

一种空间定位方法，该方法使用于激光云台智能空间定位系统，其特征在于：

通过如下步骤获得固定在空间物体上标记子系统的坐标（X、Y、Z）：

步骤S1：距离采集子系统对准标记子系统，检测到最近点距离为L；

步骤S2：当距离采集子系统完成对准采集后，获得最近点数据的测距探头水平方向距离阵列中心距离为n ，竖直方向距离阵列中心距离为k ；

步骤S3：控制管理子系统根据传输的偏移距离数据，计算水平修正角度θ ，竖直修正角度γ，θ=arctan（n/L），γ=arctan(k/L)；

步骤S4：角度控制子系统根据传输的修正角度数据，驱动水平驱动电机转动α ，驱动竖直驱动电机转动β ，完成锁定作业；

步骤S5：控制管理子系统根据已收集到的距离数据L、偏移角度α 和β ，计算得出标记子系统的空间位置信息（X、Y、Z），

。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

（1）本发明中采用分布的激光测距探头，对激光测距探头进行角度控制，配合可以自由移动位置的高光体，形成了激光云台智能空间定位系统，该系统将抗干扰能力得到稳步提成，同时可以使测量距离的精度至毫米级；

（2）本发明采用激光测距探头分布设置于激光探头载板，通过控制激光探头载板的俯仰角度和旋转角度，实现了对激光测距探头自由追踪高光体技术，同时解决布放麻烦的问题，可以自动修正锁定的实现，使地面部分只需要一个基准点即可，减少布放时长，操作更简洁，只需要瞄准一次后自动锁定；

（3）本发明中的标记子系统采用飞行器带动高光体，从而降低空中部分的负载，为航空器负载减重降低能耗，同时本系统空中部分仅需要一个高光球体，不需要电子设备的装备，有效减少航空器的负载重量，增加航空器的有效续航能力；

（4）本发明采用的空间定位方法，只需要距离数据L、偏移角度α 和β ，即可获得空间位置坐标，计算简洁，效率高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的系统组成框架图；

图2是本发明中距离采集子系统和角度控制子系统的结构示意图；

图3是本发明中标记子系统的结构示意图；

图4是本发明中角度控制子系统的信号传输流程图；

图5是本发明中的距离采集子系统位置校正示意图；

图6是本发明中的云台修正示意图；

图中：1、激光测距探头，2、激光探头载板，3、俯仰转轴、4、竖直支柱，5、水平转台，6、水平转轴，7、三脚架；8、俯仰角度传感器，9、水平角度传感器，10、俯仰驱动电机，11、水平驱动电机，12、控制器，13、飞行器，14、高光体。

具体实施方式

实施例一：

附图1为激光云台智能空间定位系统的组成框架示意图，云台是一种户外测绘设备，将激光扫描云台安装在三脚架上，激光固定于扫描云台上，通过调节云台的旋转角度，能够在特定角度下进行测绘工作。本发明中的激光云台智能空间定位系统包括距离采集子系统、角度控制子系统、标记子系统和控制管理子系统，距离采集子系统接收标记子系统的信息，所接收的信息传递至控制管理子系统，在接收信息过程中，需要根据标记子系统的位置，通过角度控制子系统调整距离采集子系统的方向，使距离采集子系统与标记子系统对正，同时调整信息通过控制管理子系统判断和计算，并把调整的朝向角度发送至角度控制子系统。综上，在距离采集子系统、角度控制子系统和控制管理子系统之间形成信息的循环，逐步调整距离采集子系统朝向，使其始终与标记子系统对准，同时根据对准位置进行标定，实现激光云台的智能空间定位功能。

附图2中包括距离采集子系统和角度控制子系统，其中距离采集子系统包括激光测距探头1以及上表面分布有激光测距探头1的激光探头载板2，激光测距探头1平行等距排列，形成探头阵列。探头阵列跟随标记子系统，并监测来自同一方向探头阵列与标记子系统的距离信息，每个激光测距探头1分别收集独立的距离信息。

附图2中的角度控制子系统对距离采集子系统的水平角度和俯仰角度，使距离采集子系统对准标记子系统；其具体结构包括设于激光探头载板2下表面中部俯仰转轴3，激光探头载板2可绕俯仰转轴3转动，俯仰转轴3两端固定于竖直支柱4上，竖直支柱4固定于水平转台5表面，水平转台5与支撑三脚架7通过水平转轴6连接。

为了控制上述角度控制子系统中结构部分的运动，还设置了俯仰角度传感器8、水平角度传感器9、俯仰驱动电机10、水平驱动电机11和控制器12，如附图4所示，其中俯仰角度传感器8固定于俯仰转轴3上，俯仰转轴3通过俯仰驱动电机10驱动，水平角度传感器9固定于水平转台5上，竖直支柱4通过水平驱动电机11驱动旋转，控制器12控制俯仰驱动电机10和水平驱动电机11转速及启停，俯仰角度传感器8和水平角度传感器9分别采集激光探头载板2和水平转台5的转动角度，并把数值反馈至控制器12。这样，在俯仰驱动电机10、俯仰角度传感器8和控制器12之间闭环控制系统，同样在水平驱动电机11、水平角度传感器9和控制器12之间也形成闭环控制系统。两个闭环控制系统独立运行，对激光探头载板2的方向进行精确调整，实现了激光测距探头对标记子系统高精度、高效率的追踪，而且整个结构组成简单，控制便于实现，整体成本可控。

上述的标记子系统为远程位置可控的采集标记，标记子系统为距离采集子系统提供对准信号，并接受距离采集子系统的对准测量作业，及配合角度控制子系统的修正锁定作业。在附图3中为标记子系统的结构组成图，标记子系统包括飞行器13以及悬挂于飞行器13下方的高光体14，其中飞行器13可接收距离采集子系统的位置信息，并反馈位置信号至角度控制子系统，高光体14通过远距离遥控的飞行器13带动，其作为空中标记部分，主要用来增强激光探头的测量精度。高光体14采用镜面全反射球状物体。

本系统还包括控制管理子系统，控制管理子系统分别与距离采集子系统、角度控制子系统连接，显示测量距离、偏移角度，并计算、记录、分享标记子系统的坐标数据。

在上述的距离采集子系统、角度控制子系统和控制管理子系统中包括数据传输模块和供电模块，其中数据传输模块实现三个子系统之间的数据循环传递，供电模块为每个子系统单独供电，保证正常工作。

本系统利用激光测距，实现大范围测量及准确定位，其主要包括位置锁定和确定空间信息两个过程，其工作原理如下：

（1）位置锁定的实现过程：利用激光测距探头组成的激光阵列中心对准空中的高光体后，激光阵列的所有探头都会监测当时的距离信息，中心探头会监测到最近的距离信息，就判断已对准高光体；当高光球体开始移动时，激光阵列上的激光探头就会进行同步监测。当某一方向监测到最近距离时，反馈数据到控制管理子系统。控制管理子系统进行计算，得到的水平转角和俯仰转角发送至角度控制子系统，根据反馈的数据调整激光阵列的朝向，使激光阵列的中心重新对准高光球体，完成修正作业；

（2）确定空间信息的实现过程：当需要确定某一时刻的空间信息时，可通过控制管理子系统直接截取当时的距离与修正角度，通过函数计算得出相对空间位置信息。

根据上述的两个过程，开发了利用激光云台智能空间定位系统进行空间定位的方法，其步骤如下：

通过如下步骤获得固定在空间物体上标记子系统的坐标（X、Y、Z）：

步骤S1：距离采集子系统对准标记子系统，检测到最近点距离为L；

步骤S2：当距离采集子系统完成对准采集后，获得最近点数据的测距探头水平方向距离阵列中心距离为n ，竖直方向距离阵列中心距离为k ；

步骤S3：控制管理子系统根据传输的偏移距离数据，计算水平修正角度θ ，竖直修正角度γ，θ=arctan（n/L），γ=arctan(k/L)，如附图6所示；

步骤S4：角度控制子系统根据传输的修正角度数据，驱动水平驱动电机转动α ，驱动竖直驱动电机转动β ，完成锁定作业；

步骤S5：控制管理子系统根据已收集到的距离数据L、偏移角度α 和β ，计算得出标记子系统的空间位置信息（X、Y、Z），

。

实施例二：

在实施例一的基础山，对激光测距探头1在激光探头载板2上的排布方式做了进一步的设计，激光测距探头1排列方式为四边形矩形阵列或六角形蜂窝状阵列平行排列，形成激光阵列。激光阵列同时监测来自同一方向的距离信息，各个激光测距探头1分别收集独立的距离信息。

在监测的过程中，需要进行位置锁定，四边形矩形阵列排列的探头如附图5所示，其中状态（1）为检测高光体初始状态，当高光体对阵激光阵列中心时，阵列中心的四个激光测距探头会检测到相同（误差范围内）的距离信息，那么就认定此刻高光体已经被对齐瞄准；状态（2）中为高光体发生偏移的情况，即在被瞄准的高光体发生偏移（移动）时，激光阵列会因为高光体的偏移发生数据的变异变化，阵列所对应的中心点就会发生改变，此时激光阵列就会发回数据给角度控制子系统和控制管理子系统重新校正；角度控制子系统会根据收集的偏移信息，是激光阵列的中心点再次对准高光体，完成锁定作业，如状态（3）所示。随后返回至状态（1）的初始瞄准状态。对于六角形蜂窝状阵列的探头，其对准和锁定过程也与上述过程相同，在此就不赘述。

综上所述，本发明在具体应用时，以飞行器的空间定位为例：飞行器13在空中快速移动，飞行器13携带高光体14为定位标志物。在稳定状态下，将激光测距阵列对准定位高光体14。激光测距阵列实时发送测量数据，系统检测结果后，发布云台两轴向的转动指令，调整下部云台系统的俯仰角与水平角位置，使上部负载的测距阵列中心对准标志物。实时反馈调节，实现飞行器动态环境下的锁定作业。当飞行器13需要在某一时刻定位作业时，导出该时刻下激光测距阵列的距离数据及该时刻下云台修正角度。通过三角函数，计算得出该时刻下在参考坐标系内的空间位置信息，实现定位作业。

Claims (7)

1.一种激光云台智能空间定位系统，其特征在于包括距离采集子系统、角度控制子系统和标记子系统，其中：

所述距离采集子系统包括由激光测距探头（1）组成的探头阵列，探头阵列跟随标记子系统，并监测来自同一方向探头阵列与标记子系统的距离信息，每个激光测距探头（1）分别收集独立的距离信息；

所述角度控制子系统对距离采集子系统的水平角度和俯仰角度，使距离采集子系统对准标记子系统；

所述标记子系统为远程位置可控的采集标记，标记子系统为距离采集子系统提供对准信号，并接受距离采集子系统的对准测量作业，及配合角度控制子系统的修正锁定作业。

2.根据权利要求1所述的一种激光云台智能空间定位系统，其特征在于所述距离采集子系统包括激光测距探头（1）以及上表面分布有激光测距探头（1）的激光探头载板（2），激光测距探头（1）平行等距排列。

3.根据权利要求2所述的一种激光云台智能空间定位系统，其特征在于所述激光测距探头（1）排列方式为四边形矩形阵列或六角形蜂窝状阵列平行排列。

4.根据权利要求2所述的一种激光云台智能空间定位系统，其特征在于所述角度控制子系统包括设于激光探头载板（2）下表面中部俯仰转轴（3），激光探头载板（2）可绕俯仰转轴（3）转动，俯仰转轴（3）两端固定于竖直支柱（4）上，竖直支柱（4）固定于水平转台（5）表面，水平转台（5）与支撑三脚架（7）通过水平转轴（6）连接；还包括俯仰角度传感器（8）、水平角度传感器（9）、俯仰驱动电机（10）、水平驱动电机（11）和控制器（12），其中俯仰角度传感器（8）固定于俯仰转轴（3）上，俯仰转轴（3）通过俯仰驱动电机（10）驱动，水平角度传感器（9）固定于水平转台（5）上，竖直支柱（4）通过水平驱动电机（11）驱动旋转，控制器（12）控制俯仰驱动电机（10）和水平驱动电机（11）转速及启停，俯仰角度传感器（8）和水平角度传感器（9）分别采集激光探头载板（2）和水平转台（5）的转动角度，并把数值反馈至控制器（12）。

5.根据权利要求1所述的一种激光云台智能空间定位系统，其特征在于所述标记子系统包括飞行器（13）以及悬挂于飞行器（13）下方的高光体（14），其中飞行器（13）可接收距离采集子系统的位置信息，并反馈位置信号至角度控制子系统，高光体（14）通过远距离遥控的飞行器（13）带动。

6.根据权利要求1所述的一种激光云台智能空间定位系统，其特征在于还包括控制管理子系统，所述控制管理子系统分别与距离采集子系统、角度控制子系统连接，显示测量距离、偏移角度，并计算、记录、分享标记子系统的坐标数据。

7.一种空间定位方法，该方法使用权利要求1-6中任一项所述的激光云台智能空间定位系统，其特征在于：

通过如下步骤获得固定在空间物体上标记子系统的坐标（X、Y、Z）：

步骤S1：距离采集子系统对准标记子系统，检测到最近点距离为L；

步骤S2：当距离采集子系统完成对准采集后，获得最近点数据的测距探头水平方向距离阵列中心距离为n ，竖直方向距离阵列中心距离为k ；

步骤S3：控制管理子系统根据传输的偏移距离数据，计算水平修正角度θ ，竖直修正角度γ ，θ=arctan（n/L），γ=arctan(k/L)；

步骤S4：角度控制子系统根据传输的修正角度数据，驱动水平驱动电机转动α ，驱动竖直驱动电机转动β ，完成锁定作业；

步骤S5：控制管理子系统根据已收集到的距离数据L、偏移角度α 和β ，计算得出标记子系统的空间位置信息（X、Y、Z），

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