CN111141212A - 一种大规模R-LATs测量场光信号可达性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种大规模R‑LATs测量测量场光信号可达性分析方法，针对在大规模旋转激光经纬仪布站组网工况中，针对不同的发射机布站方式，基于屏幕空间转换的方法，确定不同位置发射机光平面的可达范围、遮挡情况，便于传感器布置及布站优化。本发明通过屏幕空间转换的方法，将三维空间转换为二维屏幕空间，可以更为直观便捷的考察发射机激光平面在不同待测位置的可达性，空间中测量障碍的遮挡情况。从而保证传感器以及发射机布局的有效性，也可以根据此来调整布局及测量区域，使测量更为灵活。

Description

一种大规模R-LATs测量场光信号可达性分析方法

技术领域

本发明属于大尺寸空间测量领域，涉及大规模旋转激光经纬仪测量网络 (R-LATs)组网测量，具体为一种大规模R-LATs测量场光信号可达性分析方法。

背景技术

旋转激光经纬仪网络(R-LATs)是大尺寸空间测量的一种重要方法，原理上通过合理的布站，可以实现任意尺寸的测量空间扩展，并且具备不限数量的并行测量能力。其测量精度能够保持在±0.2mm，目前广泛的应用于飞机制造、船舶制造、大型天线制造等航空航天与军事领域。

定位系统由两台或两台以上台旋转激光自动经纬仪(R-LATs)、同步光装置、光电传感器、嵌入式信号处理器、路由器、上位机以及相应的处理软件组成。其测量示意图如图1所示。旋转激光自动经纬仪由交流伺服电机、驱动器、激光发射头及其无线供电装置组成，其中激光发射头上安装两个呈一定角度的线激光器，激光波长为850nm。光同步控制器用于控制同步光发射装置发出带有编码信息的同步光信号。嵌入式信号处理器用于对光电传感器接收到的信号进行识别、处理以及打上标签通过无线路由发送至工控机进行计算。

系统正常工作时，R-LAT上的激光发射头由交流伺服电机带动以恒定的角速度进行旋转，各个R-LAT以不同的恒定角速度进行旋转，从而使得发射头上发出的两个激光平面在空间内进行360°扫描。光电传感器将接受到的激光平面信号和同步光信号经放大处理转化为脉冲信号。嵌入式信号处理器对接收到的激光平面信号进行实时的分析和处理，同时根据接收到的同步光信号进行解码将各自的时钟统一的校正到光同步控制器的时钟上，最后将处理好的数据经无线路由发送至工控机，在工控机上利用处理软件实时计算光电传感器的位置坐标。

为满足大空间范围的测量，R-LATs系统中的激光旋转经纬仪数量会非常的多，远超过一般单元组成的4～8台，甚至可能达到上百台，传感器网络中节点的数量也将大幅增加。每个传感器节点接受各台旋转激光经纬仪发出的三个脉冲信号并进行识别，从而保证R-LATs测量场中光电传感器坐标的计算。然而，当存在大量旋转激光经纬仪时，面对更为复杂的测量环境，传感器的布局就需要更为合理的规划，考察不同位置对发射机的可见性，分析测量场中光信号的可达性。现有技术中，围绕此系统的各项技术也不够成熟，其可达性通过目测试错，准确度和可靠性较差，无法满足R-LATs测量场的测量需求。

发明内容

针对在大规模旋转激光经纬仪布站组网工况中，针对不同的发射机布站方式，本发明一种大规模R-LATs测量场光信号可达性分析方法，设计合理，简便灵活，能够确定不同位置发射机光平面的可达范围和遮挡情况，便于传感器布置及布站优化。

一种大规模R-LATs测量场光信号可达性分析方法，包括如下步骤：

步骤1，按照实际测量场中发射机布站方式以及待测物体的外形及空间尺寸，建立测量场模型；

步骤2，将测量场中物体划分为被测物、测量障碍、观测空间和测头；

步骤3，建立测量场模型的世界坐标系，对被测物分别建立局部视图坐标系，局部视图坐标系的z轴方向为被测点到观测空间内目标测头的方向向量，确定测量障碍在局部视图坐标系中的位置坐标；

步骤4，将被测物的世界坐标系转换其局部视图坐标系中；以目标测头为原点，以该局部视图坐标系的XY方向为坐标轴，建立屏幕空间坐标系，使用屏幕空间转换的方法将该局部视图坐标系下的测量障碍、目标测头和视觉空间均转换到二维屏幕空间；

步骤5，在二维屏幕空间的平面内，若目标测头的投影点在测量障碍投影的多边形内，则被测物对应发射机的光信号无法达到目标测头，对目标测点不可见；否则能够达到目标测头，对目标测点可见；

步骤6，重复上述步骤3-5，对每个被测物和所有目标测点逐一进行可达性分析判断。

优选的，步骤2中，发射机作为被测物，障碍物作为测量障碍，观测位置作为测头，一个观测空间内至少布置有一个测头。

进一步，步骤2中，所述的观测空间呈球体，球心为目标测头。

优选的，步骤4中，通过如下公式将被测物的世界坐标转换到其局部视图坐标系中；

P_MTn＝R_MTn·T_MTn·P_wn

式中：

其中，被测物1在世界坐标系WS和被测物n局部视图坐标系LVSn中，坐标分分别为P_wn和P_MTn，被测物n局部视图坐标系原点为O_MTn，其各方向下标意为各向坐标；

为被测物n局部视图坐标系原点O_MTn的X轴方向单位向量的x坐标分量；

为被测物n局部视图坐标系原点O_MTn的 X轴方向单位向量的y坐标分量；

为被测物n局部视图坐标系原点 O_MTn的X轴方向单位向量的z坐标分量。

进一步，由如下公式得到被测物n局部视图坐标系原点O_MTn到世界坐标系原点O_OS的向量，从而得到被测物的世界坐标系转换到其局部视图坐标系的转换关系；

式中：

X_MTn为被测物n局部视图坐标系原点O_MTnX轴分量坐标；

Y_MTn为被测物n局部视图坐标系原点O_MTnY轴分量坐标；

Z_MTn为被测物n局部视图坐标系原点O_MTnZ轴分量坐标；

X_Os为被测物n世界坐标系原点O_OSX轴分量坐标；

Y_OS为被测物n世界坐标系原点O_OSY轴分量坐标；

Z_OS为被测物n世界坐标系原点O_OSZ轴分量坐标；

向量i为世界坐标系x轴方向单位向量；

向量j为世界坐标系y轴方向单位向量；

向量k为世界坐标系z轴方向单位向量；

Z轴确定后，为确定X，Y轴方向，设Y轴与世界坐标系的Y_wZ_w平面平行，则

式中：

优选的，步骤4中，通过如下转换关系可将三维空间中每个被测点建立的局部视图坐标系转换为屏幕空间坐标系；

转换矩阵为T_pers＝T_pers2T_pers1bT_pers1a

缩放矩阵a为

缩放矩阵b为

投影矩阵为

其中：在局部视图坐标系中，

d为被测物到近景平面的距离；

f为被测物到远景平面的距离；

x_min为近景平面的x坐标的最小值；

x_max为近景平面的x坐标的最大值；

y_min为近景平面的y坐标的最小值；

y_max为近景平面的y坐标的最大值。

与现有技术对比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明大规模R-LATs测量场光信号可达性分析方法，通过建立的测量场模型，将被测物在测量场的世界坐标系转换到局部视图坐标中，再通过屏幕空间转换的方法，将包含被测物和对应障碍物的三维空间转换为二维屏幕空间，可以更为直观便捷的考察发射机激光平面在不同待测位置的可达性，空间中测量障碍的遮挡情况。从而保证传感器以及发射机布局的有效性，也可以根据此来调整布局及测量区域，使测量更为灵活。解决了传统试错式的人工布站问题，为发射机布站及传感器布局提供了理论依据，提高了布站准确性、快速性和测量效率。

附图说明

图1为R-LATs测量系统工作示意图。

图2a为本发明可达性问题的简化模型示意图。

图2b为本发明可达性问题的视觉空间示意图。

图3a为本发明3D空间中转换参数示意图。

图3b为本发明2D空间中转换参数示意图。

图4为本发明局部视图坐标建立示意图。

图5为本发明屏幕空间转换参数示意图。

图6为本发明屏幕空间转换结果示意图。

具体实施方式

本发明为一种大规模R-LATs测量场光信号可达性分析方法，基于屏幕空间转换的方法，包括如下步骤；

步骤1，按照实际测量场中发射机布站方式以及待测物体的外形及空间尺寸，建立测量场模型，如实反应出测量场中物体的体积形状和位置。

步骤2，根据实际测量时的测量位置与用到的发射机，将测量场中物体划分为被测物、测量障碍、观测空间和测头，将可达性问题简化；

步骤3，通过空间尺寸，发射机位置、数目、间距等布站参数及待测物及测量空间中物体的位置、大小，建立世界坐标系及每个待测物的局部视图坐标系；建立世界坐标系后以被测物到测头(传感器)的射线作为局部坐标系 Z轴，建立每个被测物的局部视图坐标系。

步骤4，建立局部视图坐标系后，使用屏幕空间转换的方法将视觉的三维空间转换为二维屏幕空间，以方便地判断其不同位置的可达性。

具体内容如下。

对于在有测量障碍存在时，传感器能否接收到某台发射机光平面信号的问题，则可以将传感器看作是一个探测装置，而光信号的可达性问题就是这个探测装置能否探测到发射头以及能否同时探测到三个发射头及一个同步光源的问题，在建立测量场模型后，可以将测量场中物体进行划分，如图2a和图2b所示。

在世界坐标系WS下，每个被测物的被测点有一个局部视图坐标系LVS。可视性问题即为将被测物(Measurement Target，MT)作为视觉源点，识别出观测空间(ObservationSpace，OS)内可见的观测位置(Observation Position， OP)。观测空间是为描述问题在世界坐标系下假定的一个空间，其至少包括一个测头，没有一定的大小和形状。从图2b中可以看到，由被测点和观测空间所形成的视锥由实线表示，而被测点和障碍物形成的测量障碍(Measurement Obstacle，MO)形成的障碍椎体由虚线表示，对于给定的被测物(在测量场中发射机即为被测物)，障碍锥体外的区域就是可见区域。

运用屏幕空间转换可以将图2b的三维空间转换为二维空间，原本在三维空间中检测视线和测量障碍是否相交的问题就变成了在二维平面内检测一个点是否在某个多边形内的问题。图3a、图3b描述了3D和2D视图中屏幕空间转换(screen space Transformation，SST)的参数。由于观测空间并没有一定的大小和形状，本优选实例中将其视作一个球体，并且将障碍物视作凸多面体(凹多面体也可以视作凸多面体的集合)，在此以长方体为例，实际应用以其实际形状为准，近景平面为观测空间中距原点最近一点位于的与坐标系XOY平面平行的平面；远景平面为观测空间中距原点最远一点位于的与坐标系XOY平面平行的平面。通过如下公式可将3D空间中每一个被测点建立的局部视图坐标系转换为屏幕空间坐标系。

转换矩阵T_pers＝T_pers2T_pers1bT_pers1a

缩放矩阵

缩放矩阵

投影矩阵

公式中参数如图3a和图3b中所示，其中：

在局部视图坐标系下：

d为被测物到近景平面的距离；

f为被测物到远景平面的距离；

x_min为近景平面的x坐标的最小值；

x_max为近景平面的x坐标的最大值；

y_min为近景平面的y坐标的最小值；

y_max为近景平面的y坐标的最大值；

首先，进行局部视图坐标系的建立。

在图4的局部视图坐标系中，局部视图坐标系的z轴方向即为被测点到观测空间球心的方向向量，由于被测物1局部视图坐标系原点O_MT1与世界坐标系原点O_OS都是已知的，则从被测物1局部视图坐标系原点O_MT1到世界坐标系原点O_OS的Z轴方向向量为：

如图5所示，式中：

X_MT1为被测物1局部视图坐标系原点O_MT1X轴分量坐标；

Y_MT1为被测物1局部视图坐标系原点O_MT1Y轴分量坐标；

Z_MT1为被测物1局部视图坐标系原点O_MT1Z轴分量坐标；

X_OS为被测物1世界坐标系原点O_OSX轴分量坐标；

Y_OS为被测物1世界坐标系原点O_OSY轴分量坐标；

Z_OS为被测物1世界坐标系原点O_OSZ轴分量坐标；

向量i为世界坐标系x轴方向单位向量；

向量j为世界坐标系y轴方向单位向量；

向量k为世界坐标系z轴方向单位向量；

Z轴确定后，为确定X，Y轴方向，不妨设Y轴与世界坐标系的Y_wZ_w平面平行，则

式中：

同样的，可以确定被测物2局部视图坐标系原点O_MT2处的局部视图坐标。这样在不同的坐标系中，每个观测点都有不同的坐标，图4中P1在世界坐标系WS和被测物1局部视图坐标系LVS1中，坐标分别为P_w和P_NT1。

之后，通过坐标系转换建立局部视图坐标系与世界坐标系的联系：

转换矩阵P_MT1＝R_MT1·T_MT1·P_w

式中：

旋转矩阵

平移矩阵

通过上述变换，即可使P_w＝P_MT1，即世界坐标系WS与被测物1局部视图坐标系LVS1两者重合。

接下来对每个局部视图坐标系进行变换，经过坐标变换后，图4中世界坐标系WS与被测物1局部视图坐标系LVS1重合，测量障碍也变为被测物1局部视图坐标系LVS1中所示的测量障碍。

最后，通过开始介绍的屏幕空间转换方法，将局部视图坐标系转换到屏幕空间坐标系。

由于测量障碍在世界坐标系中的位置及外形参数是已知的，通过以上变换可以得到测量障碍在局部坐标系中的相应参数，之后即可对局部视图坐标系LVS中的测量障碍MO与观测位置OP进行屏幕空间转换，由于转换后视线从视锥变为平行线，可以忽略屏幕空间中的Z值，得到二维坐标中的测量障碍MO与观测位置OP模型，如图6所示。原局部视图坐标系的原点也与屏幕空间坐标系的原点及观测空间的球心重合。屏幕空间坐标系原点位于观测空间球心位置，X、Y轴方向与局部视图坐标系相同。可以看到，在屏幕空间坐标系中，如果观测位置OP被任何测量障碍MO(多边形部分)覆盖，则表明在原始的3D空间中被测物对该测点是不可见的，即该处的传感器无法接收到对应发射机的光平面信号，由此可以判断测量场中不同位置光信号的可达性。

Claims (6)

1.一种大规模R-LATs测量场光信号可达性分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，按照实际测量场中发射机布站方式以及待测物体的外形及空间尺寸，建立测量场模型；

步骤2，将测量场中物体划分为被测物、测量障碍、观测空间和测头；

步骤3，建立测量场模型的世界坐标系，对被测物分别建立局部视图坐标系，局部视图坐标系的z轴方向为被测点到观测空间内目标测头的方向向量，确定测量障碍在局部视图坐标系中的位置坐标；

步骤4，将被测物的世界坐标系转换其局部视图坐标系中；以目标测头为原点，以该局部视图坐标系的XY方向为坐标轴，建立屏幕空间坐标系，使用屏幕空间转换的方法将该局部视图坐标系下的测量障碍、目标测头和视觉空间均转换到二维屏幕空间；

步骤5，在二维屏幕空间的平面内，若目标测头的投影点在测量障碍投影的多边形内，则被测物对应发射机的光信号无法达到目标测头，对目标测点不可见；否则能够达到目标测头，对目标测点可见；

步骤6，重复上述步骤3-5，对每个被测物和所有目标测点逐一进行可达性分析判断。

2.根据权利要求1所述的一种大规模R-LATs测量场光信号可达性分析方法，其特征在于，步骤2中，发射机作为被测物，障碍物作为测量障碍，观测位置作为测头，一个观测空间内至少布置有一个测头。

3.根据权利要求2所述的一种大规模R-LATs测量场光信号可达性分析方法，其特征在于，步骤2中，所述的观测空间呈球体，球心为目标测头。

4.根据权利要求1所述的一种大规模R-LATs测量场光信号可达性分析方法，其特征在于，步骤4中，通过如下公式将被测物的世界坐标转换到其局部视图坐标系中；

P_MTn＝R_MTn·T_MTn·P_wn

式中：

旋转矩阵

平移矩阵

其中，被测物1在世界坐标系WS和被测物n局部视图坐标系LVSn中，坐标分分别为P_wn和P_MTn，被测物n局部视图坐标系原点为O_MTn，其各方向下标意为各向坐标；

为被测物n局部视图坐标系原点O_MTn的X轴方向单位向量的x坐标分量；

为被测物n局部视图坐标系原点O_MTn的X轴方向单位向量的y坐标分量；

为被测物n局部视图坐标系原点O_MTn的X轴方向单位向量的z坐标分量。

5.根据权利要求4所述的一种大规模R-LATs测量场光信号可达性分析方法，其特征在于，由如下公式得到被测物n局部视图坐标系原点O_MTn到世界坐标系原点O_OS的向量，从而得到被测物的世界坐标系转换到其局部视图坐标系的转换关系；

式中：

X_MTn为被测物n局部视图坐标系原点O_MTnX轴分量坐标；

Y_MTn为被测物n局部视图坐标系原点O_MTnY轴分量坐标；

Z_MTn为被测物n局部视图坐标系原点O_MTnZ轴分量坐标；

X_OS为被测物n世界坐标系原点O_OSX轴分量坐标；

Y_OS为被测物n世界坐标系原点O_OSY轴分量坐标；

Z_OS为被测物n世界坐标系原点O_OSZ轴分量坐标；

向量i为世界坐标系x轴方向单位向量；

向量j为世界坐标系y轴方向单位向量；

向量k为世界坐标系z轴方向单位向量；

Z轴确定后，为确定X，Y轴方向，设Y轴与世界坐标系的Y_wZ_w平面平行，则

式中：

6.根据权利要求1所述的一种大规模R-LATs测量场光信号可达性分析方法，其特征在于，步骤4中，通过如下转换关系可将三维空间中每个被测点建立的局部视图坐标系转换为屏幕空间坐标系；

转换矩阵为T_pers＝T_pers2T_pers1bT_pers1a

缩放矩阵a为

缩放矩阵b为

投影矩阵为

其中：在局部视图坐标系中，

d为被测物到近景平面的距离；

f为被测物到远景平面的距离；

x_min为近景平面的x坐标的最小值；

x_max为近景平面的x坐标的最大值；

y_min为近景平面的y坐标的最小值；

y_max为近景平面的y坐标的最大值。

Images