CN107270830B - 一种曲面建筑物的红外线三维定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲面建筑物的红外线三维定位装置及方法，包括曲面建筑、轴线所在曲面、红外线、横向和纵向红外线发射装置阵列、远程控制装置；横向和纵向红外线发射装置阵列均由n个红外线发射装置构成；红外线发射装置由红外线发射器、信号控制模块、数据处理模块、信号发射器或信号接收器、纵向和横向转动控制模块构成；该装置能对曲面建筑的轴线进行精确定位，从而实时控制施工精度，方法简单，施工效率高；同时，也可以对建筑物的多个关键点进行定位，从而实现建筑物的三维重建。

Description

一种曲面建筑物的红外线三维定位装置及方法

技术领域

本发明属于光学定位技术领域，具体涉及一种曲面建筑物的红外线三维定位装置及方法。

背景技术

由于曲面建筑物的散热性能良好，目前，化工厂和热电厂的冷却塔均采用曲面的外形。曲面建筑物中混凝土构件的截面尺寸、位移偏差、垂直度的控制均比普通混凝土结构工程困难许多，因此施工工艺复杂，施工质量较难控制。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种曲面建筑物的红外线三维定位装置及方法。

本发明的装置所采用的技术方案是：一种曲面建筑物的红外线三维定位装置，包括红外线发射装置、远程控制装置、活动机械臂；

所述若干红外线发射装置组成横向红外线发射装置阵列，若干红外线发射装置组成纵向红外线发射装置阵列；所述活动机械臂为两个，方向相互垂直地设置在曲面建筑的两侧，其上分别固定设置有所述横向红外线发射装置阵列和纵向红外线发射装置阵列；

所述远程控制装置用于控制红外线发射装置发射红外线的角度，从而确保曲面建筑的轴线所在曲面上每一点都能由两束红外线的交点确定。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种曲面建筑物的红外线三维定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：针对曲面建筑(1)，其外部轮廓为曲线：

f(x,y)＝0；

将曲面放入三维坐标系中，其坐标原点为距曲面的顶点0～1m的点；横向红外线发射装置阵列(4)和纵向红外线发射装置阵列(5)分别设置在y轴和x轴两侧，横向红外线发射装置阵列(4)中的红外线发射装置B₁和纵向红外线发射装置阵列(5)中的红外线发射装置A₁之间的距离为l；A₁发射出的红外线与y轴的夹角为α₁，B₁发射出的红外线与x轴的夹角为β₁；

取z₀＝0的平面进行研究，在这个平面内，两束红外线的交点为P(x₀,y₀,0)，A₁P的长度为l₁，B₁P的长度为l₂，A₁B₁的长度为l；

解方程组(1)和(2)可得：

l₁sinα₁＝l₂sinβ₁＝y₀ (1)；

l₁cosα₁+l₂cosβ₁＝l (2)；

可得：

当z₀≠0时，将P′(x₀,y₀,z₀)点在xoy平面内投影得到P(x₀,y₀,0)，红外线发射装置A₁和红外线发射装置B₁发射出的光束与z轴的夹角γ₁和λ₁分别为：

步骤2：当P′点在坐标系的第一象限内移动时，根据步骤2求出α₁、β₁、γ₁和λ₁的值；把不同的坐标点(α₁,β₁)、(α₁,γ₁)和(α₁,λ₁)绘制在以α₁为x轴，分别以β₁、γ₁和λ₁为y轴的坐标系中，获得β₁、γ₁和λ₁随α₁变化的曲线；

步骤3：远程控制装置(18)通过红外线发射装置A₁中的信号接收器(10)与A₁中的纵向转动控制模块(11)和横向转动控制模块(17)进行通信，进而控制红外线发射装置A₁发出红外线光束的偏角α₁从0度变到α₀，α₀<180°；由步骤2中的β₁、γ₁和λ₁与α₁的定量关系，能得到β₁、γ₁和λ₁的大小，这个过程由数据处理模块(8)实现；然后，由红外线发射装置A₁中的信号发射器(9)将计算出的β₁、γ₁和λ₁的大小发送到远程控制装置(18)，远程控制装置(18)通过A₁和B₁中的信号接收器(10)分别与A₁和B₁中的纵向转动控制模块(11)和横向转动控制模块(17)进行通信，进而控制红外线发射装置A₁发出红外线光束夹角γ₁和控制红外线发射装置B₁发出红外线光束夹角β₁和λ₁的大小；

步骤4：红外线发射装置A₁发射的光束与x轴的夹角为α₁，与z轴的夹角为γ₁；红外线发射装置B₁发射的光束与x轴的夹角为β₁，与z轴的夹角为λ₁；两束红外线的交点为P′；随着α₁的不断变化，P′点的轨迹也不断变化，将这些轨迹点连接起来，得到曲面建筑在z＝z₀平面内的轴线；同理，利用红外线发射装置A_i与B_i得到曲面建筑在z＝z_i平面内的轴线，其中，i＝2,3,...,n；

步骤5：当z_i均匀遍布建筑物的高度h时，由红外线发射装置A_i与红外线发射装置B_i确定的交点就能扫略曲面建筑轴线所在的曲面。

本发明的优点是：

1：可以对曲面建筑的轴线进行精确定位，从而实时控制施工精度，方法简单，施工效率高；

2：可以对建筑物的多个关键点进行定位，从而实现建筑物的三维重建。

附图说明

图1为本发明实施例的方法原理图；

图2和图3为本发明实施例的红外线发射装置；

图4为本发明实施例的滚轴的结构详图；

图5为本发明实施例的远程控制装置图；

图6和图7为本发明实施例的红外线发射装置阵列；

图中，1为曲面建筑、2为轴线所在曲面、3为红外线、4为横向红外线发射装置阵列、5为纵向红外线发射装置阵列、6为红外线发射器、7为信号控制模块、8为数据处理模块、9为信号发射器、10为信号接收器、11为纵向转动控制模块、12为伸缩装置、13为滚轴、14为外层环、15为滚珠、16为内层环、17为横向转动控制模块、18为远程控制装置、19为活动机械臂。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图2-图7，本发明提供的一种曲面建筑物的红外线三维定位装置，包括曲面建筑1、轴线所在曲面2、红外线3、横向红外线发射装置阵列4、纵向红外线发射装置阵列5、伸缩装置12、滚轴13、远程控制装置18、活动机械臂19；

红外线发射装置阵列4由很多红外线发射装置构成，红外线发射装置包括红外线发射器6、信号控制模块7、数据处理模块8、信号接收器10和/或信号发射器9、伸缩装置12；伸缩装置12两端配置有滚轴13，滚轴13由外层环14、滚珠15和内层环16构成；横向和纵向红外线发射装置阵列4和5固定在活动机械臂19上面，每两个红外线发射装置之间的距离可以根据需要调整；两个活动机械臂19设置在曲面建筑1的两侧，并且方向相互垂直；伸缩装置12用于根据需要调节红外线发射器6到适当高度；两个红外线发射装置A₁和B₁之间的距离为l；红外线发射装置A_i和B_i发射出的光束分别与y轴和x轴方向的夹角为α_i和β_i；它们与z轴的夹角分别为γ_i和λ_i；远程控制装置18可以对夹角α_i、β_i、γ_i和λ_i进行实时调整；轴线所在曲面2上的每一点都可以由两束红外线的交点确定。

请见图1，本发明提供的一种曲面建筑物的红外线三维定位方法，包括以下步骤：

步骤1：针对曲面建筑(1)，其外部轮廓为曲线：

f(x,y)＝0；

将曲面放入三维坐标系中，其坐标原点为距曲面的顶点0～1m的点；横向红外线发射装置阵列和纵向红外线发射装置阵列分别设置在y轴和x轴两侧，横向红外线发射装置阵列中的红外线发射装置B₁和纵向红外线发射装置阵列中的红外线发射装置A₁之间的距离为l；A₁发射出的红外线与y轴的夹角为α₁，B₁发射出的红外线与x轴的夹角为β₁；

取z₀＝0的平面进行研究，在这个平面内，两束红外线的交点为P(x₀,y₀,0)，A₁P的长度为l₁，B₁P的长度为l₂，A₁B₁的长度为l；

解方程组(1)和(2)可得：

l₁sinα₁＝l₂sinβ₁＝y₀ (1)；

l₁cosα₁+l₂cosβ₁＝l (2)；

可得：

当z₀≠0时，将P′(x₀,y₀,z₀)点在xoy平面内投影得到P(x₀,y₀,0)，红外线发射装置A₁和红外线发射装置B₁发射出的光束与z轴的夹角γ₁和λ₁分别为：

步骤2：当P′点在坐标系的第一象限内移动时，根据步骤2求出α₁、β₁、γ₁和λ₁的值；把不同的坐标点(α₁,β₁)、(α₁,γ₁)和(α₁,λ₁)绘制在以α₁为x轴，分别以β₁、γ₁和λ₁为y轴的坐标系中，获得β₁、γ₁和λ₁随α₁变化的曲线；

步骤3：远程控制装置通过红外线发射装置A₁中的信号接收器与A₁中的纵向转动控制模块和横向转动控制模块进行通信，进而控制红外线发射装置A₁发出红外线光束的偏角α₁从0度变到α₀，α₀<180°；由步骤2中的β₁、γ₁和λ₁与α₁的定量关系，能得到β₁、γ₁和λ₁的大小，这个过程由数据处理模块实现；然后，由红外线发射装置A₁中的信号发射器将计算出的β₁、γ₁和λ₁的大小发送到远程控制装置，远程控制装置通过A₁和B₁中的信号接收器分别与A₁和B₁中的纵向转动控制模块和横向转动控制模块进行通信，进而控制红外线发射装置A₁发出红外线光束夹角γ₁和控制红外线发射装置B₁发出红外线光束夹角β₁和λ₁的大小；

步骤4：红外线发射装置A₁发射的光束与x轴的夹角为α₁，与z轴的夹角为γ₁；红外线发射装置B₁发射的光束与x轴的夹角为β₁，与z轴的夹角为λ₁；两束红外线的交点为P′；随着α₁的不断变化，P′点的轨迹也不断变化，将这些轨迹点连接起来，得到曲面建筑在z＝z₀平面内的轴线；同理，利用红外线发射装置A_i与B_i得到曲面建筑在z＝z_i平面内的轴线，其中，i＝2,3,...,n；

步骤5：当z_i均匀遍布建筑物的高度h时，由红外线发射装置A_i与红外线发射装置B_i确定的交点就能扫略曲面建筑轴线所在的曲面；进而就可以进行精确的施工。

尽管本说明书较多地使用了曲面建筑1、轴线所在曲面2、红外线3、横向红外线发射装置阵列4、纵向红外线发射装置阵列5、红外线发射器6、信号控制模块7、数据处理模块8、信号发射器9、信号接收器10、纵向转动控制模块11、伸缩装置12、滚轴13、外层环14、滚珠15、内层环16、横向转动控制模块17、远程控制装置18、活动机械臂19等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种曲面建筑物的红外线三维定位方法，采用曲面建筑物的红外线三维定位装置；所述装置包括红外线发射装置、远程控制装置(18)、活动机械臂(19)；

所述若干红外线发射装置组成横向红外线发射装置阵列(4)，若干红外线发射装置组成纵向红外线发射装置阵列(5)；所述活动机械臂(19)为两个，方向相互垂直地设置在曲面建筑(1)的两侧，其上分别固定设置有所述横向红外线发射装置阵列(4)和纵向红外线发射装置阵列(5)；

所述远程控制装置(18)用于控制红外线发射装置发射红外线(3)的角度，从而确保曲面建筑(1)的轴线所在曲面(2)上每一点都能由两束红外线的交点确定；

其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：针对曲面建筑(1)，其外部轮廓为曲线：

f(x,y)＝0；

将曲面放入三维坐标系中，其坐标原点为距曲面的顶点0～1m的点；横向红外线发射装置阵列(4)和纵向红外线发射装置阵列(5)分别设置在y轴和x轴两侧，横向红外线发射装置阵列(4)中的红外线发射装置B₁和纵向红外线发射装置阵列(5)中的红外线发射装置A₁之间的距离为l；A₁发射出的红外线与y轴的夹角为α₁，B₁发射出的红外线与x轴的夹角为β₁；

取z₀＝0的平面进行研究，在这个平面内，两束红外线的交点为P(x₀,y₀,0)，A₁P的长度为l₁，B₁P的长度为l₂，A₁B₁的长度为l；

解方程组(1)和(2)可得：

l₁sinα₁＝l₂sinβ₁＝y₀ (1)；

l₁cosα₁+l₂cosβ₁＝l (2)；

可得：

当z₀≠0时，将P′(x₀,y₀,z₀)点在xoy平面内投影得到P(x₀,y₀,0)，红外线发射装置A₁和红外线发射装置B₁发射出的光束与z轴的夹角γ₁和λ₁分别为：

步骤2：当P′点在坐标系的第一象限内移动时，根据步骤1求出α₁、β₁、γ₁和λ₁的值；把不同的坐标点(α₁,β₁)、(α₁,γ₁)和(α₁,λ₁)绘制在以α₁为x轴，分别以β₁、γ₁和λ₁为y轴的坐标系中，获得β₁、γ₁和λ₁随α₁变化的曲线；

步骤3：远程控制装置(18)通过红外线发射装置A₁中的信号接收器(10)与A₁中的纵向转动控制模块(11)和横向转动控制模块(17)进行通信，进而控制红外线发射装置A₁发出红外线光束的偏角α₁从0度变到α₀，α₀＜180°；由步骤2中的β₁、γ₁和λ₁与α₁的定量关系，能得到β₁、γ₁和λ₁的大小，这个过程由数据处理模块(8)实现；然后，由红外线发射装置A₁中的信号发射器(9)将计算出的β₁、γ₁和λ₁的大小发送到远程控制装置(18)，远程控制装置(18)通过A₁和B₁中的信号接收器(10)分别与A₁和B₁中的纵向转动控制模块(11)和横向转动控制模块(17)进行通信，进而控制红外线发射装置A₁发出红外线光束夹角γ₁和控制红外线发射装置B₁发出红外线光束夹角β₁和λ₁的大小；

步骤4：红外线发射装置A₁发射的光束与x轴的夹角为α₁，与z轴的夹角为γ₁；红外线发射装置B₁发射的光束与x轴的夹角为β₁，与z轴的夹角为λ₁；两束红外线的交点为P′；随着α₁的不断变化，P′点的轨迹也不断变化，将这些轨迹点连接起来，得到曲面建筑在z＝z₀平面内的轴线；同理，利用红外线发射装置A_i与B_i得到曲面建筑在z＝z_i平面内的轴线，其中，i＝2,3,...,n；

步骤5：当z_i均匀遍布建筑物的高度h时，由红外线发射装置A_i与红外线发射装置B_i确定的交点就能扫略曲面建筑轴线所在的曲面。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述红外线发射装置包括红外线发射器(6)、信号控制模块(7)、数据处理模块(8)、信号接收器(10)和/或信号发射器(9)、纵向转动控制模块(11)、横向转动控制模块(17)；

所述红外线发射装置还配置有伸缩装置(12)，用于根据需要调节红外线发射器(6)到适当高度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述伸缩装置(12)两端配置有滚轴(13)，滚轴(13)由外层环(14)、滚珠(15)和内层环(16)构成。