CN107817470A - 一种激光平面扫描网络的空间测量定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种激光平面扫描网络的空间测量定位方法，解决了多基站系统的空间定位问题，以及空间大尺寸测量问题和虚拟现实系统的空间实时定位问题等。其基本原理是：每台发射基站中安装有两个具有固定偏置角的线激光器，并在伺服电机的驱动下对测量空间进行扫描，接收器一旦接收到激光信号会将该信号转化为电信号，并通过“FPGA+ARM”的数据处理系统对电信号的脉冲时序信息进行提取、识别和分离，同时根据参考接收器和测量接收器的峰值信号计算出各发射基站到测量接收器的空间直线方程，并根据各发射基站坐标系与世界坐标系的位置关系得到世界坐标系下各发射基站到测量接收器的空间直线方程，最后利用最小二乘原理求解系统定位模型，从而获到待测点的空间三维坐标，实现系统定位。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间三维坐标测量定位方法，是一种典型的光机电综合系统，其主要是在多台激光发射基站环境下，通过一系列光电检测技术确定接收器的空间三维坐标，从而实现系统的空间定位。
背景技术
在以航空航天、船舶、汽车、发电机组等为代表的大型机械装备的制造及装配过程中，大尺寸部件的几何尺寸和形位误差的精确测量及定位已成为保证整套设备质量的关键因素，以及在虚拟现实系统中定位技术也已成为至关重要的环节。随着现代工业的快速发展，迫切需要先进的测量技术为其提供强有力的支持，同时现代传感技术、激光技术、通信技术以及其他新技术的出现和发展，为空间测量定位问题提出了新的解决方法，并且使测量精度、效率以及测量范围也得到了显著改善。
当前在国际上应用比较成熟的大尺寸测量技术主要包括激光跟踪仪测量系统、数字近景工业摄影测量系统以及经纬仪测量系统等。但是，这些技术都存在不足之处，例如：经纬仪测量系统一般采用手动瞄准，人工读数，逐点测量的方法，因此，只适合于观测目标点不多的场合，且测量效率低，难以实现实时测量。又如，激光跟踪仪测量系统测量过程中容易丢光，且难以实现多目标并行测量。并且有单位申报了名称为基于双旋转激光平面发射机网络的空间定位方法，申请号：2008010150383.5的专利，该专利公开了一种使用双旋转激光平面扫描进行空间定位的方法，但明确提出需要3台或3台以上基站。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明采用多基站组成激光扫描测量空间，只要接收器可同时接收到2台或2台以上发射基站的激光信号，即可确定接收器的空间三维坐标，从而实现空间定位。此外，本发明涉及的空间定位方法无需人工对目标进行瞄准，且可以实现多目标并行测量，提高了测量效率，从而实现高精度、全方位的空间定位。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
（1）每台发射基站中安装有两个具有固定偏置角的线激光器，分别是激光器1和激光器2，并且发出的两个激光平面与竖直面呈一定夹角；
（2）两台或两台以上的发射基站在伺服电机的驱动下对空间进行扫描，同时对各发射基站进行编号，并设置相应转速，以3000 r/min为起点，每台发射基站依次增加100 r/min；
（3）建立各发射基站坐标系，并以发射基站1坐标系作为系统世界坐标系；
（4）接收器通过光电池将接收到的激光信号转化为电信号，并通过“FPGA+ARM”的数据处理系统对电信号的脉冲时序信息进行提取、识别和分离，同时记录光电池接收激光信号波峰位置的时间t;
（5）测量接收器接收到激光器1和激光器2的峰值信号时间分别记为t峰值1i和t峰值2i,参考接收器接收到激光器1的峰值信号时刻作为计时零点，记为t0i,并分别计算激光平面1和激光平面2的旋转角度θ1i和θ2i；
式中，
— 发射基站编号；
— 发射基站转速；
（6）分别计算激光器1和激光器2扫过测量接收器时激光平面的空间方程；
式中，
— 激光平面在零点位置的法向量；
— 测量接收器坐标；
— 激光平面从零点位置到测量接收器位置的旋转矩阵；
（7）分别计算从各发射基站到测量接收器的空间直线方程；
式中，
— 发射基站编号；
— 发射基站到测量接收器的空间直线；
— 激光平面1在零点位置的法向量；
— 激光平面2在零点位置的法向量；
— 激光平面1从零点位置到测量接收器位置的旋转矩阵；
— 激光平面2从零点位置到测量接收器位置的旋转矩阵；
— 测量接收器坐标；
（8）将各发射基站坐标系转换到世界坐标系下，并得到世界坐标系下各发射基站到测量接收器的空间直线方程；
式中，
— 发射基站编号；
— 发射基站到测量接收器的空间直线；
— 发射基站坐标系到世界坐标系的旋转矩阵；
— 发射基站坐标系到世界坐标系的平移矩阵；
（9）推导出最终系统空间定位模型；
式中，
— 发射基站编号；
— 激光平面1在零点位置的法向量；
— 激光平面2在零点位置的法向量；
— 激光平面1从零点位置到测量接收器位置的旋转矩阵；
— 激光平面2从零点位置到测量接收器位置的旋转矩阵；
— 发射基站坐标系到世界坐标系的旋转矩阵；
— 发射基站坐标系到世界坐标系的平移矩阵；
— 测量接收器坐标；
（10）利用最小二乘优化求解系统定位模型，确定测量接收器空间坐标，最终实现系统定位。
由于该定位方法中激光器在伺服电机驱动下对测量空间进行全方位扫描，因此测量过程中不需要对目标进行人工对准，并且接收器和“FPGA+ARM”的数据处理系统对于激光信号的采集是相互独立的，因此可实现多目标并行测量，提高了测量效率，同时还可以通过增加发射基站扩大测量范围，该方法可实现高精度、高效率、多目标的实时空间定位。
附图说明
图1为发射机结构示意图。
图2为激光平面扫描网络空间测量系统测量过程流程图。
图3为激光信号峰值时间示意图。
图4为计算发射基站到接收器空间直线方程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
一种激光平面扫描网络的空间测量定位方法，包括以下步骤：
（1）如图1所示，每台发射基站中安装有两个线激光器，且偏置角约为90°，分别为激光器1和激光器2，并且发出的两个激光平面与竖直面呈一定夹角，约为±30°；
（2）两台或两台以上的发射基站在伺服电机的驱动下对空间进行扫描，同时对各发射基站进行编号，并设置相应转速，以3000 r/min为起点，每台发射基站依次增加100 r/min；
（3）建立各发射基站坐标系，并以发射基站1坐标系作为系统世界坐标系；
（4）如图2所示，接收器通过光电池将接收到的激光信号转化为电信号，并通过“FPGA+ARM”的数据处理系统对电信号的脉冲时序信息进行提取、识别和分离，同时记录光电池接收激光信号波峰位置的时间t;
（5）如图3所示，测量接收器接收到激光器1和激光器2的峰值信号时间分别记为t峰值1i和t峰值2i,参考接收器接收到激光器1的峰值信号时刻作为计时零点，记为t0i,并分别计算激光平面1和激光平面2的旋转角度θ1i和θ2i；
式中，
— 发射基站编号；
— 发射基站转速；
（6）如图4所示，分别计算激光器1和激光器2扫过测量接收器时激光平面的空间方程；
式中，
— 激光平面在零点位置的法向量；
— 测量接收器坐标；
— 激光平面从零点位置到测量接收器位置的旋转矩阵；
（7）分别计算从各发射基站到测量接收器的空间直线方程；
式中，
— 发射基站编号；
— 发射基站到测量接收器的空间直线；
— 激光平面1在零点位置的法向量；
— 激光平面2在零点位置的法向量；
— 激光平面1从零点位置到测量接收器位置的旋转矩阵；
— 激光平面2从零点位置到测量接收器位置的旋转矩阵；
— 测量接收器坐标；
（8）将各发射基站坐标系转换到世界坐标系下，并得到世界坐标系下各发射基站到测量接收器的空间直线方程；
式中，
— 发射基站编号；
— 发射基站到测量接收器的空间直线；
— 发射基站坐标系到世界坐标系的旋转矩阵；
— 发射基站坐标系到世界坐标系的平移矩阵；
（9）推导出最终系统空间定位模型；
式中，
— 发射基站编号；
— 激光平面1在零点位置的法向量；
— 激光平面2在零点位置的法向量；
— 激光平面1从零点位置到测量接收器位置的旋转矩阵；
— 激光平面2从零点位置到测量接收器位置的旋转矩阵；
— 发射基站坐标系到世界坐标系的旋转矩阵；
— 发射基站坐标系到世界坐标系的平移矩阵；
— 测量接收器坐标；
（10）利用最小二乘优化求解系统定位模型，确定测量接收器空间坐标，最终实现系统定位。
Claims (1)
1.一种激光平面扫描网络的空间测量定位方法，其特征在于，按以下步骤实现：
1）每台发射基站中安装有两个具有固定偏置角的线激光器，分别是激光器1和激光器2，并且发出的两个激光平面与竖直面呈一定夹角；
2）两台或两台以上的发射基站在伺服电机的驱动下对空间进行扫描，同时对各发射基站进行编号，并设置相应转速，以3000 r/min为起点，每台发射基站依次增加100 r/min；
3）建立各发射基站坐标系，并以发射基站1坐标系作为系统世界坐标系；
4）接收器通过光电池将接收到的激光信号转化为电信号，并通过“FPGA+ARM”的数据处理系统对电信号的脉冲时序信息进行提取、识别和分离，同时记录光电池接收激光信号波峰位置的时间t；
5）测量接收器接收到激光器1和激光器2的峰值信号时间分别记为t峰值1i和t峰值2i,参考接收器接收到激光器1的峰值信号时刻作为计时零点，记为t0i,并分别计算激光平面1和激光平面2的旋转角度θ1i和θ2i：
式中，
— 发射基站编号；
— 发射基站转速；
6）分别计算激光器1和激光器2扫过测量接收器时激光平面的空间方程：
式中，
— 激光平面在零点位置的法向量；
— 测量接收器坐标；
— 激光平面从零点位置到测量接收器位置的旋转矩阵，
7）分别计算从各发射基站到测量接收器的空间直线方程：
式中，
— 发射基站编号；
— 发射基站到测量接收器的空间直线；
— 激光平面1在零点位置的法向量；
— 激光平面2在零点位置的法向量；
— 激光平面1从零点位置到测量接收器位置的旋转矩阵；
— 激光平面2从零点位置到测量接收器位置的旋转矩阵；
— 测量接收器坐标；
8）将各发射基站坐标系转换到世界坐标系下，并得到世界坐标系下各发射基站到测量接收器的空间直线方程：
式中，
— 发射基站编号；
— 发射基站到测量接收器的空间直线；
— 发射基站坐标系到世界坐标系的旋转矩阵；
— 发射基站坐标系到世界坐标系的平移矩阵；
9）推导出最终系统空间定位模型；
式中，
— 发射基站编号；
— 激光平面1在零点位置的法向量；
— 激光平面2在零点位置的法向量；
— 激光平面1从零点位置到测量接收器位置的旋转矩阵；
— 激光平面2从零点位置到测量接收器位置的旋转矩阵；
— 发射基站坐标系到世界坐标系的旋转矩阵；
— 发射基站坐标系到世界坐标系的平移矩阵；
— 测量接收器坐标；
10）利用最小二乘优化求解系统定位模型，确定测量接收器空间坐标，最终实现系统定位。
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