CN106931937A - 多点激光测量平面空间偏角的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光检测技术领域，涉及一种多点激光测量平面空间偏角的方法及装置。本发明是利用多个平行且位置关系已知的不共线激光光束在靶面形成多个光斑，激光光束垂直于待测平面，使其中两个或多个排布在一条直线上的激光光束位于一个水平面，靶面垂直方向设置，探测激光光斑，计算激光光斑的中心坐标，计算激光光斑中心的水平和垂直距离，并与已知的激光光束水平和垂直距离进行对比，计算待测平面的空间偏角；改变靶面的空间角度，上述靶面绕垂直轴和水平轴分别旋转一个角度，再分别计算激光光斑中心的水平和垂直距离，对比旋转前后两组的计算结果，得到待测平面的空间偏角方向。本发明具有自动化程度高、测量范围大、效率高、成本低的优点。

Description

多点激光测量平面空间偏角的方法及装置

技术领域

本发明属于激光检测技术领域，涉及一种多点激光测量平面空间偏角的方法及装置。

背景技术

大型结构体,例如建筑物、桥梁、铁轨、重型机械设备等，在建筑和施工时，其某些平面的空间角度测量十分关键，是关系到质量和安全等国计民生的重要课题。有些结构体平面的偏角，例如建筑物外表面的竖直偏角，可利用经纬仪在建筑物侧面观测其轮廓进行测量，但有的结构体平面正对观测者，或侧面无法观测(例如建筑物内凹的表面)，此时无法通过侧面轮廓检测得到该平面的空间偏角。另外，利用经纬仪进行侧面轮廓检测时只能得到一个方向的偏角，不能同时得到物体待测平面水平和竖直两个方向的偏角。对此类问题，有以下三种测量方法：

一、在结构体待测平面上固定平面镜，将经纬仪调整水平并瞄准平面镜，观测经纬仪十字分划经平面镜反射回的像的水平和竖直偏角，即待测平面的水平和竖直偏角。但这种方法需要人工读数，效率低下，容易出现读数误差，并且经纬仪观测范围很小，一般不超过2'，略大一点的偏角则超出测量范围，无法检测；

二、三维激光扫描用于空间结构的测绘，该方法为非接触测量，对结构本体无影响，精度高，所获取的数据为结构体表面的三维坐标数据，利用后处理软件可构建三维模型。结合计算机编程，三维点云数据可有效地用于结构体垂直度分析，截面图、立面图、等值线图绘制，以及变形监测等工作中。但该方法成本很高，所获取的数据需要后续处理，不能直接读数，对使用人员的专业水平要求很高。在建筑、施工和大型结构件检测等领域无法得到实际应用；

三、对连续待测面的空间偏角检测，例如铁轨表面空间偏角测量，可将激光器固定于铁轨表面上，接收靶靠紧铁轨表面，调整激光器使其光斑对准接收靶靶面中心，沿着铁轨表面移动接收靶，不断测量激光器到接收靶的距离，根据激光光斑的偏移量计算铁轨表面的空间偏角，这种方法虽然易于实现自动化，但必须测距，另外即便进行测距也无法确定空间偏角的方向。

发明内容

本发明目的是解决上述大型结构体待测平面的空间偏角(水平角和竖直角)测量中现有方法的复杂、低效和不便利性，具有自动化程度高、测量范围大、效率高、成本低的优点。

为实现以上目的，本发明提供一种多点激光测量平面空间偏角的方法，是利用多个平行且位置关系已知的不共线激光光束在靶面形成多个光斑，上述激光光束垂直于待测平面，使其中两个或多个排布在一条直线上的激光光束位于一个水平面；

靶面垂直方向设置，探测激光光斑，计算激光光斑的中心坐标，计算激光光斑中心的水平和垂直距离，并与已知的激光光束水平和垂直距离进行对比，计算待测平面的空间偏角；

改变靶面的空间角度，上述靶面绕垂直轴和水平轴分别旋转一个角度，再分别计算激光光斑中心的水平和垂直距离，对比旋转前后两组的计算结果，得到待测平面的空间偏角方向。

上述方法的具体操作如下：

1)将多个激光器与待测平面的位置相对固定，使发出的激光光束相互平行且与待测平面垂直，多个激光器呈三角形排布，其中的一个位于三角形顶点上，其余一字排列在顶点相对的底边设置，准确测量得到位于三角形底边激光器光轴中心的距离和位于三角形顶点的激光器光轴中心到三角形底边的垂直距离；

2)调整激光器，使三角形的底边水平设置；

3)打开激光器，在激光器一定距离处放置探测器，在靶面上形成光斑；

4)调节靶面，使其相对水平面垂直设置；

5)控制激光器开关使多个激光器受控亮、灭；

6)根据激光光斑的中心坐标，计算位于三角形底边激光光斑中心的水平距离和位于三角形顶点的激光光斑中心到底边的竖直距离，就可以计算得出待测平面的空间偏角；

7)使靶面绕水平轴旋转一个角度，再次计算位于三角形顶点的激光光斑中心到三角形底边的垂直距离，计算结束后使靶面复位，就可以计算得出待测平面的空间竖直偏角方向；

8)使靶面绕垂直轴旋转一个角度，再次计算位于三角形底边激光光斑中心的水平距离，计算结束后使靶面复位，就可以计算得出待测平面的空间水平偏角方向。

上述待测平面的空间偏角大小及方向的计算方法是：

上述激光光束与待测平面垂直，位于三角形底边两个激光器光轴中心距离为S₁，上述两个激光器形成的光斑中心的水平距离为L₁，靶面绕垂直轴旋转一个角度，再次计算上述两个激光器形成的光斑中心的水平距离为l₁；

位于三角形顶点的激光器光轴中心到三角形底边的垂直距离为S₂，位于三角形顶点的激光光斑中心到三角形底边的垂直距离为L₂，靶面绕水平轴旋转一个角度，再次计算位于三角形顶点的激光光斑中心到三角形底边的垂直距离为l₂；

待测平面的竖直偏角计算为水平偏角为比较L₂和l₂的大小确定竖直偏角的方向，比较L₁和l₁的大小确定水平偏角的方向。

一种可测量平面空间偏角的装置，包括激光器组件和探测器2，

所述激光器组件包含多个激光器111～11N和安装座，N≥3，多个激光器不共线排布固定于安装座内，多个激光器发出的激光光束相互平行；

所述安装座旋转设置于基准座中；

所述基准座上设置有基准面，多个激光器发出的激光光束与基准面垂直；

所述探测器包括靶面、光学镜头、光电传感器和处理电路，光学镜头的探测光轴垂直于靶面设置，光电传感器设置于光学镜头后侧，靶面的几何中心与光学镜头、光电传感器的光轴重合，所述光电传感器与处理电路连接。

上述光电传感器为CCD或CMOS图像传感器。

以下是多个激光器的三种排布方式：

上述多个激光器包括呈三角形排布的第一激光器、第二激光器和第三激光器113。

上述第二激光器和第三激光器的连线上还设置有第四激光器。

上述多个激光器包括呈四边形排布的第一激光器、第二激光器、第三激光器和第四激光器。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)解决了经纬仪测量平面空间偏角时的主观判断误差，采用自动测量、数字显示的方法，直观地给出待测平面空间偏角，测量效率高；

2)解决了经纬仪测量范围小的缺点，可增大靶面尺寸在测量距离不变时增大测量范围；

3)能够同时计算待测平面空间偏角的大小和方向；

4)结构简单、成本低，数据处理简单。

附图说明

图1为本发明基准座结构示意图；

图2为图1的A向视图；

图3为本发明探测器结构示意图；

图4是图3的A向视图；

图5为实施例1激光器的排布方式示意图；

图6为本发明空间偏角测量方法示意图；

图7为安装基准面131紧贴待测平面时竖直角的计算示意图；

图8为安装基准面131紧贴待测平面时水平角的计算示意图。

图9是实施例2激光器的排布方式示意图；

图10是实施例3激光器的排布方式示意图；

图11是实施例3空间偏角测量方法示意图。

其中：

1—基准座 2—探测器

11—安装座 12—激光控制器

21—靶面 22—光学镜头

23—光电传感器 24—处理电路

25—水平调整旋钮 26—竖直角度调节装置

27—水平角度调节装置 28—探测器底座

111—第一激光器 112—第二激光器

113—第三激光器 114—第四激光器

131—基准面

具体实施方式

本发明提供一种多点激光测量平面空间偏角的方法，是利用多个平行且位置关系已知的不共线激光光束在靶面形成多个光斑，上述激光光束垂直于待测平面，使其中两个或多个排布在一条直线上的激光光束位于一个水平面；

靶面垂直方向设置，探测激光光斑，计算激光光斑的中心坐标，计算激光光斑中心的水平和垂直距离，并与已知的激光光束水平和垂直距离进行对比，计算待测平面的空间偏角；

改变靶面的空间角度，上述靶面绕垂直轴和水平轴分别旋转一个角度，再分别计算激光光斑中心的水平和垂直距离，对比旋转前后两组的计算结果，得到待测平面的空间偏角方向。

参见图1-图4，为了实现上述方法，本发明提供了一种可测量平面空间偏角的装置。

所述激光器组件包含多个激光器111～11N和安装座11，N≥3，多个激光器不共线排布固定于安装座11内，多个激光器发出的激光光束相互平行；

所述安装座11旋转设置于基准座1中；

所述基准座1上设置有基准面131，多个激光器发出的激光光束与基准面131垂直；

所述探测器2包括靶面21、光学镜头22、光电传感器23和处理电路24，光学镜头22的探测光轴垂直于靶面21设置，光电传感器23设置于光学镜头22后侧，靶面21的几何中心与光学镜头22、光电传感器23的光轴重合，所述光电传感器23与处理电路24连接。

上述光电传感器23为CCD或CMOS图像传感器。

以下是多个激光器的三种排布方式：

上述多个激光器包括呈三角形排布的第一激光器111、第二激光器112和第三激光器113；

上述第二激光器112和第三激光器113的连线上还设置有第四激光器114；

上述多个激光器包括呈四边形排布的第一激光器111、第二激光器112、第三激光器113和第四激光器114。

激光器组件上的多个激光器111-11N与激光控制器12连接，激光控制器12控制多个激光器的亮、灭，以便明确光斑所对应的激光器，可采用51单片机控制继电器的通、断实现。

安装座11可在基准座1中旋转的机构很多，例如在安装座11后部有一段与基准座1内设置的连接孔精密配合的连接轴，达到激光器组件自由旋转的目的。

所述靶面21通过探测器2上的调整机构来实现与水平面的垂直设置和空间角度的改变，可以包括水平调整旋钮25、竖直角度调节装置26、水平角度调节装置27和探测器底座28组成。

所述靶面21的尺寸可通过调整光学镜头22到靶面21的距离和光学镜头的参数增大或缩小；

所述靶面21与探测器底座上表面垂直，水平调整旋钮25调整探测器底座上表面水平；

所述竖直角度调节装置26可使靶面21的竖直角沿一个方向改变一个角度并可复位；

所述水平角度调节装置27可使靶面21的水平角沿一个方向改变一个角度并可复位。

以下通过具体的实施例对本发明进行详细地描述：

实施例1：

参见图5和图6。一种可测量平面空间偏角的装置，包括呈三角形排布的第一激光器111、第二激光器112和第三激光器113。

一种多点激光测量平面空间偏角的方法，

1)将激光器组件固定于待测平面上，使基准座的基准面131紧贴待测平面，这样三个激光器发出的激光光束平行且与待测平面垂直；

2)调整安装座11，使三角的底边水平设置，在本实施例中使第二激光器112和第三激光器113之间的连线为水平方向，第二激光器112和第三113的水平距离为S₁和第一激光器111到三角形底边的垂直距离S₂在激光器安装后实际测量获得，将激光对准靶面21；

3)控制激光控制器12使激光器打开，在激光器组件一定距离处放置探测器2，使三束激光形成的光斑均呈现在靶面21上；

4)调节水平调整旋钮25使探测器底座28上表面水平，确保靶面垂直设置；

5)控制激光控制器12使多个激光器按要求亮、灭；

6)第一激光器111在靶面21上形成的光斑为P₁，第二激光器112在靶面21上形成的光斑为P₂，第三激光器113在靶面21上形成的光斑为P₃，即可根据坐标计算光斑P₂和P₃的水平距离L₁以及P₁到光斑P₂、P₃连线的垂直距离L₂；

7)使靶面21绕水平轴旋转一个顺时针的竖直角度，再次计算光斑P₁到P₂、P₃连线的垂直距离l₂，计算结束后使靶面21复位；

8)使靶面21绕垂直轴旋转一个顺时针的水平角度，再次计算光斑P₁、P₂的水平距离l₁，计算结束后使靶面21复位；

9)靶面21的几何中心为计算光斑中心的坐标系原点，光电传感器23获取激光光斑图像信息并传送给处理电路24，处理电路24计算光斑中心坐标，进一步计算待测平面空间偏角，处理电路通过显示模块直观地显示出待测平面的空间偏角数值和方向。

参见图7和图8。本实施例中，三个激光光束与待测平面垂直，待测平面的竖直偏角计算为水平偏角为

当L₂＞l₂时，待测平面的竖直偏角为逆时针方向，当L₂＜l₂时，待测平面的竖直偏角为顺时针方向，当L₁＞l₁时，待测平面的水平偏角为逆时针方向，当L₁＜l₁时，待测平面的水平偏角为顺时针方向。

实施例2：

参见图9，上述多个激光器包括呈三角形排布的第一激光器111、第二激光器112、第三激光器113和第四激光器114。

一种多点激光测量平面空间偏角的方法，

1)将激光器组件固定于待测平面上，使基准座的基准面131紧贴待测平面，这样四个激光器发出的激光光束平行且与待测平面垂直；

2)调整安装座11，使三角的底边水平设置，在本实施例中第一激光器111在三角形上部顶点上设置，第二激光器112、第三激光器113和第四激光器114在一条直线上且为水平方向设置，第二激光器112到第三113的水平距离为S₁、第二激光器112到第四激光器114的水平距离S₃、第三激光器113到第四激光器114的水平距离S₄和第一激光器111到三角形底边的垂直距离S₂在激光器安装后实际测量获得，将激光对准靶面21；

3)在靶面21上呈现四个激光光斑，计算四个激光光斑的中心坐标，计算得到位于三角形顶点的激光光斑中心到三角形底边的垂直距离和三个位于底边的激光光斑中心的水平距离，计算待测平面的水平偏角时可进行多组计算，水平偏角的测量精度得到提高。

实施例3：

参见图10和图11，多个光轴平行且间距已知的激光器111～11N的个数N＝4时，包括第一激光器111、第二激光器112、第三激光器113和第四激光器114，其排布方式为任意四边形排布。

一种多点激光测量平面空间偏角的方法，

1)将激光器组件固定于待测平面上，使基准座的基准面131紧贴待测平面，这样三个激光器发出的激光光束平行且与待测平面垂直；

2)调整安装座11，使四边形的一条底边水平设置，在本实施例中第一激光器111、第二激光器112在四边形两个顶点设置，第三激光器113和第四激光器114在底边且为水平方向设置，第二激光器112到第三113的水平距离S₁、第一激光器111到第四激光器114的水平距离S₄和第一激光器111到四边形底边的垂直距离S₂、第四激光器114到四边形底边的垂直距离S₃在激光器安装后实际测量获得，将激光对准靶面21；

3)在靶面21上呈现四个激光光斑，计算四个激光光斑的中心坐标，计算得到激光光斑中心到四边形底边的垂直距离和激光光斑中心水平距离各两个，计算待测平面的水平偏角和竖直偏角时可进行多组计算，水平偏角和竖直偏角的测量精度都得到提高；

4)本实施例与实施例1的不同之处还在于使靶面21绕水平轴旋转一个逆时针的竖直角度，再次计算光斑P₁到光斑P₂、P₃连线的垂直距离l₂，计算结束后使靶面21复位；使靶面21绕垂直轴旋转一个逆时针的水平角度，再次计算光斑P₁、P₂的水平距离l₁，计算结束后使靶面21复位。

本实施例中，当L₂＞l₂时，待测平面的竖直偏角为顺时针方向，当L₂＜l₂时，待测平面的竖直偏角为逆时针方向，当L₁＞l₁时，待测平面的水平偏角为顺时针方向，当L₁＜l₁时，待测平面的水平偏角为逆时针方向。

Claims (6)

1.一种多点激光测量平面空间偏角的方法，其特征在于：是利用多个平行且位置关系已知的不共线激光光束在靶面形成多个光斑，上述激光光束垂直于待测平面，使其中两个或多个排布在一条直线上的激光光束位于一个水平面；

靶面垂直方向设置，探测激光光斑，计算激光光斑的中心坐标，计算激光光斑中心的水平和垂直距离，并与已知的激光光束水平和垂直距离进行对比，计算待测平面的空间偏角；

改变靶面的空间角度，上述靶面绕垂直轴和水平轴分别旋转一个角度，再分别计算激光光斑中心的水平和垂直距离，对比旋转前后两组的计算结果，得到待测平面的空间偏角方向。

2.根据权利要求1所述的一种多点激光测量平面空间偏角的方法，其特征在于：

上述方法的具体操作如下：

1)将多个激光器与待测平面的位置相对固定，使发出的激光光束相互平行且与待测平面垂直，多个激光器呈三角形排布，其中的一个位于三角形顶点上，其余一字排列在顶点相对的底边设置，准确测量得到位于三角形底边激光器光轴中心的距离和位于三角形顶点的激光器光轴中心到三角形底边的垂直距离；

2)调整激光器，使三角形的底边水平设置；

3)打开激光器，在激光器一定距离处放置探测器，在靶面上形成光斑；

4)调节靶面，使其相对水平面垂直设置；

5)控制激光器开关使多个激光器受控亮、灭；

6)根据激光光斑的中心坐标，计算位于三角形底边激光光斑中心的水平距离和位于三角形顶点的激光光斑中心到底边的竖直距离，就可以计算得出待测平面的空间偏角；

7)使靶面绕水平轴旋转一个角度，再次计算位于三角形顶点的激光光斑中心到三角形底边的垂直距离，计算结束后使靶面复位，就可以计算得出待测平面的空间竖直偏角方向；

8)使靶面绕垂直轴旋转一个角度，再次计算位于三角形底边激光光斑中心的水平距离，计算结束后使靶面复位，就可以计算得出待测平面的空间水平偏角方向。

3.根据权利要求2所述的一种多点激光测量平面空间偏角的方法，其特征在于：

上述待测平面的空间偏角大小及方向的计算方法是：

上述激光光束与待测平面垂直，位于三角形底边两个激光器光轴中心距离为S₁，上述两个激光器形成的光斑中心的水平距离为L₁，靶面绕垂直轴旋转一个角度，再次计算上述两个激光器形成的光斑中心的水平距离为l₁；

位于三角形顶点的激光器光轴中心到三角形底边的垂直距离为S₂，位于三角形顶点的激光光斑中心到三角形底边的垂直距离为L₂，靶面绕水平轴旋转一个角度，再次计算位于三角形顶点的激光光斑中心到三角形底边的垂直距离为l₂；

待测平面的竖直偏角计算为水平偏角为比较L₂和l₂的大小确定竖直偏角的方向，比较L₁和l₁的大小确定水平偏角的方向。

4.根据权利要求1所述的一种可测量平面空间偏角的装置，其特征在于：包括激光器组件和探测器(2)，

所述激光器组件包含多个激光器111～11N和安装座(11)，N≥3，多个激光器不共线排布固定于安装座(11)内，多个激光器发出的激光光束相互平行；

所述安装座(11)旋转设置于基准座1中；

所述基准座(1)上设置有基准面(131)，多个激光器发出的激光光束与基准面(131)垂直；

所述探测器(2)包括靶面(21)、光学镜头(22)、光电传感器(23)和处理电路(24)，光学镜头(22)的探测光轴垂直于靶面(21)设置，光电传感器(23)设置于光学镜头(22)后侧，靶面(21)的几何中心与光学镜头(22)、光电传感器(23)的光轴重合，所述光电传感器(23)与处理电路(24)连接。

5.根据权利要求4所述的一种可测量平面空间偏角的装置，其特征在于：上述光电传感器(23)为CCD或CMOS图像传感器。

6.根据权利要求5所述的一种可测量平面空间偏角的装置，其特征在于：以下是多个激光器的三种排布方式：

上述多个激光器包括呈三角形排布的第一激光器(111)、第二激光器(112)和第三激光器(113)；

上述第二激光器(112)和第三激光器(113)的连线上还设置有第四激光器(114)；

上述多个激光器包括呈四边形排布的第一激光器(111)、第二激光器(112)、第三激光器(113)和第四激光器(114)。