CN111220074B - 一种激光三维测量定位系统及目标测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光三维测量定位系统及目标测定方法，包括操作机和测量机；操作机包括固定平台、第一被动伸缩杆、第二被动伸缩杆、第三被动伸缩杆、复合球铰、主动伸缩杆、万向节；三个被动伸缩杆的伸缩端与复合球铰相连，固定端用虎克铰安装于固定平台上；主动伸缩杆的伸缩端与复合球铰固联，固定端通过万向节连接在固定平台；测量机包括第一激光测距传感器、第二激光测距传感器、第三激光测距传感器、第一2‑DOF铰链、第二2‑DOF铰链、第三2‑DOF铰链，激光测距传感器分别安装在2‑DOF铰链上；测量机的2‑DOF铰链与操作机的虎克铰对应转轴连接；本发明的激光三维测量定位系统及目标测定方法，操作简单，适合快速定位。

Description

一种激光三维测量定位系统及目标测定方法

技术领域

本发明属于激光定位领域，特别是一种激光三维测量定位系统及目标测定方法。

背景技术

目前常用的三维测量方法主要分为接触式测量和非接触式测量。对于接触式测量，由于量具直接接触工件表面，不可避免的会对工件或者量具造成损伤。在一些高温强腐蚀等恶劣环境下测量；诸如粉料堆积物体积、山体等高线等大范围且不可触碰的测量；微小范围内的测量；两物体需要相对定位且中间不能有异物干涉的测量等，接触式测量难以胜任，而非接触式测量可以很好的解决。目前常用的非接触式测量主要有雷达测量法、摄影测量、激光测量法等。由于激光在光束扩散、亮度和相干性等方面拥有良好的特性，所以在测量距离、精度、抗干扰等方面相比其他方法有明显优势。

利用激光三维测量最简单的解决方案是将激光测距仪安装于一个两自由度精密云台上构成的全站仪，由于测量距离会放大测角误差，造成仪器整体精度不高而云台的运动精度要求很高。而利用并联机构误差不被放大特点可以形成测量范围大、精度高的坐标测量机，使得测量精度等综合性能得到极大的改善。近年来基于并联机构的坐标测量机逐渐发展起来，如俄罗斯的KNM-750型三坐标测量机，中国专利CN110231010A公开了一种基于Delta并联机构的三坐标测量机及测量方法，利用了并联机构的优点，但测量方法仍属于接触式测量，测量范围受到结构的限制。

非接触式三维测量技术主要包括基于经纬仪交会的测量方法，激光测量系统，近景摄影测量等。中国专利CN109631865A公开了一种无线激光定位系统，包括框架、分别设于框架内侧壁四个垂直滑槽中的调解部、控制结构以及手持遥控端组成，通过手持遥控端控制四组调解部上的激光探头在其所在的平面上任意位置移动，这样四组激光探头可以对被探测物体的四个面进行全面多方位的定位探测。这种测量方法手持端对四个调解部的控制是单独分开控制的，控制操作更加复杂，并且测量范围也受到框架限制。中国专利CN201910317072.1公开了一种三维交会测量方法，该方法通过布置三台以上经纬仪，通过两两互瞄记录互瞄观测值，在测量场地中固定设置基准尺和被测点。但是基于经纬仪交会的测量方法的“定向”过程普遍复杂，对测量人员的要求较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光三维测量定位系统及目标测定方法，以测量定位目标的位置。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种激光三维测量定位系统，包括操作机和测量机；所述操作机包括固定平台、第一被动伸缩杆、第二被动伸缩杆、第三被动伸缩杆、复合球铰、主动伸缩杆、万向节；所述测量机包括第一激光测距传感器、第二激光测距传感器、第三激光测距传感器、第一2-DOF铰链、第二2-DOF铰链、第三2-DOF铰链；

所述主动伸缩杆固定端通过万向节安装于固定平台的中心位置，伸缩端与复合球铰固定连接；所述第一被动伸缩杆、第二被动伸缩杆、第三被动伸缩杆的固定端分别用第一虎克铰、第二虎克铰、第三虎克铰安装于固定平台上，三个伸缩杆的伸缩端分别通过转动副各与一个第一曲柄连接，每个第一曲柄分别通过转动副各与一个第二曲柄相连；每个第二曲柄均通过转动副与复合球铰相连；所述第一虎克铰、第二虎克铰、第三虎克铰以万向节为中心分布在万向节的一周；所述第一虎克铰和第一2-DOF铰链通过第一连杆连接形成第一四边形摆杆，第二虎克铰和第二2-DOF铰链通过第二连杆连接形成第二四边形摆杆，第三虎克铰和第三2-DOF铰链10通过第三连杆连接形成第三四边形摆杆；所述第一激光测距传感器、第二激光测距传感器、第三激光测距传感器分别连接在第一2-DOF铰链、第二2-DOF铰链、第三2-DOF铰链上；第一被动伸缩杆、第二被动伸缩杆、第三被动伸缩杆的伸缩方向分别和第一激光测距传感器、第二激光测距传感器、第三激光测距传感器发出的光线平行。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)因为被动伸缩杆的伸缩方向分别与激光测距传感器发出的光线平行，2-DOF铰链和虎克铰分别通过连杆连接，使得被动伸缩杆的伸缩方向和激光测距传感器光线的方向始终相同，所以三个被动伸缩杆构成的四面体与三个激光测距传感器发出的光线构成的四面体始终相似，通过三个激光测距传感器测得的三个距离，可能够实现快速计算目标的坐标。

(2)通过操作机的手轮可以控制激光汇聚点移动到待测目标位置，可以实现简单快速的定位目标。

(3)操作机和测量机可以共用机架，联动关节机械连接，也可以分用机架，联动关节通过自整角机等实现电气连接，可以根据实际的需要实现灵活安装。

附图说明

图1为本发明的激光三维测量定位系统结构简图。

图2为本发明的激光三维测量定位系统C₁-PS-C₂截面图

图3为本发明的球铰的立体结构图。

图4为本发明的球铰的结构简图。

图5为本发明的主动伸缩杆结构简图。

图6为本发明的连杆的结构简图一。

图7为本发明的连杆的结构简图二。

图8为本发明的激光三维测量定位系统坐标系建立图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

本发明的一种激光三维测量定位系统，包括操作机和测量机；所述操作机包括固定平台1、第一被动伸缩杆2、第二被动伸缩杆3、第三被动伸缩杆4、复合球铰11、主动伸缩杆12、万向节13；所述测量机包括第一激光测距传感器17、第二激光测距传感器18、第三激光测距传感器19、第一2-DOF铰链8、第二2-DOF铰链9、第三2-DOF铰链10；

所述主动伸缩杆12固定端通过万向节13安装于固定平台1的中心位置，伸缩端与复合球铰11固定连接；所述第一被动伸缩杆2、第二被动伸缩杆3、第三被动伸缩杆4的固定端分别用第一虎克铰5、第二虎克铰6、第三虎克铰7安装于固定平台1上，三个伸缩杆的伸缩端分别通过转动副各与一个第一曲柄111连接，每个第一曲柄111分别通过转动副各与一个第二曲柄112相连；每个第二曲柄112均通过转动副与复合球铰11相连；所述第一虎克铰5、第二虎克铰6、第三虎克铰7以万向节13为中心分布在万向节13的一周；所述第一虎克铰5和第一2-DOF铰链8通过第一连杆14连接形成第一四边形摆杆，第二虎克铰6和第二2-DOF铰链9通过第二连杆15连接形成第二四边形摆杆，第三虎克铰7和第三2-DOF铰链10通过第三连杆16连接形成第三四边形摆杆；所述第一激光测距传感器17、第二激光测距传感器18、第三激光测距传感器19分别连接在第一2-DOF铰链8、第二2-DOF铰链9、第三2-DOF铰链10上；第一被动伸缩杆2、第二被动伸缩杆3、第三被动伸缩杆4的伸缩方向分别和第一激光测距传感器17、第二激光测距传感器18、第三激光测距传感器19发出的光线平行。

因为三个被动伸缩杆通过复合球铰11连接在一起，三个被动伸缩杆延长线汇聚于复合球铰11的中心，根据相似原理，所以三个激光测距传感器发出的三束光线也汇聚于一点。所以通过主动伸缩杆12控制复合球铰11的运动，就可以带动三个被动伸缩杆的运动，从而使得与操作机通过连杆连接的三个激光测距传感器的作相同的运动，这样通过操作机就可以控制三个激光测距传感器激光汇聚点的移动。

进一步的，所述主动伸缩杆12包括伸缩端12-1、固定端12-2、丝杆12-3、轴承12-4；所述伸缩端12-1与复合球铰11固定连接，固定端12-2通过万向节13安装于固定平台1上；万向节13可以作两个自由度的运动；所述丝杆12-3两端通过轴承12-4支承在固定端12-2内，丝杆12-3一端伸缩端12-1相连，另一端与手轮相连；通过操作手轮转动丝杆12-3就可以控制复合球铰11的运动。

进一步的，所述连杆14包括杆一14-1、杆二14-2、杆三14-3和杆四14-4；所述杆一14-1两端分别连接第一2-DOF铰链8和第一虎克铰5，使得第一2-DOF铰链8和第一虎克铰5可以绕固定平台1同步转动；所述杆三14-3、杆四14-4分别与第一2-DOF铰链8和第一虎克铰5相连；所述杆二14-2两端分别通过转动副与杆三14-3、杆四14-4连接，使得第一2-DOF铰链8和第一虎克铰5可以绕杆一14-1同步转动；

所述操作机上的三个虎克铰链与测量机上对应的三个2-DOF铰链的连接采用机械方式、有线随动系统或无线随动系统连接。

本发明的激光三维测量定位系统，因为被动伸缩杆的伸缩方向分别与激光测距传感器发出的光线平行，2-DOF铰链和虎克铰分别通过连杆连接，使得被动伸缩杆的伸缩方向和激光测距传感器光线的方向始终相同，所以三个被动伸缩杆构成的四面体与三个激光测距传感器发出的光线构成的四面体始终相似；通过手轮控制操作机的运动，就可以控制激光汇聚点的移动，从而实现对目标的定位。

基于上述激光三维测量定位系统，本发明还提出了一种定位目标的方法，包括以下步骤：

步骤1、建立第一2-DOF铰链8、第二2-DOF铰链9、第三2-DOF铰链10的定坐标系O-XYZ：

记3个2-DOF铰链安装位置分别为C₁、C₂、C₃，三点连线构成等腰直角三角形，其外接圆圆心在斜边C₁C₂的中点；斜边中点为原点O，X轴为原点O与C₂的连线，原点O与顶点C₃的连线为Y轴，则过点O作垂直于C₁、C₂、C₃所在平面的直线为Z轴。设外接圆半径为r，则3个2-DOF铰链安装位置坐标如下:

C₁(-r,0,0)，C₂(r,0,0)，C₃(0,r,0)；

步骤2、调整操作机使三束激光汇聚在目标点；

步骤3、获得三个激光测距传感器测距长度：

设激光汇聚点坐标为P(x，y，z)，由激光测距传感器测得C₁、C₂、C₃三点到三束激光距离汇聚点P的距离分别为S_i(i＝1,2,3)；

步骤4、求解定位目标的坐标：

已知光线长度求汇聚点坐标为正解，已知汇聚点坐标求光线长度为反解，运动学解析如下：

位置反解：

位置正解：

由三个激光测距传感器测得的三个距离S₁、S₂、S₃，经位置正解就可以算出激光汇聚点P的坐标值x、y、z。

Claims (5)

1.一种激光三维测量定位系统，其特征在于，包括操作机和测量机；所述操作机包括固定平台(1)、第一被动伸缩杆(2)、第二被动伸缩杆(3)、第三被动伸缩杆(4)、复合球铰(11)、主动伸缩杆(12)、万向节(13)；所述测量机包括第一激光测距传感器(17)、第二激光测距传感器(18)、第三激光测距传感器(19)、第一2-DOF铰链(8)、第二2-DOF铰链(9)、第三2-DOF铰链(10)；

所述主动伸缩杆(12)固定端通过万向节(13)安装于固定平台(1)的中心位置，伸缩端与复合球铰(11)固定连接；所述第一被动伸缩杆(2)、第二被动伸缩杆(3)、第三被动伸缩杆(4)的固定端分别用第一虎克铰(5)、第二虎克铰(6)、第三虎克铰(7)安装于固定平台(1)上，三个伸缩杆的伸缩端分别通过转动副各与一个第一曲柄(111)连接，每个第一曲柄(111)分别通过转动副各与一个第二曲柄(112)相连；每个第二曲柄(112)均通过转动副与复合球铰(11)相连；所述第一虎克铰(5)、第二虎克铰(6)、第三虎克铰(7)以万向节(13)为中心分布在万向节(13)的一周；所述第一虎克铰(5)和第一2-DOF铰链(8)通过第一连杆(14)连接形成第一平行四边形摆杆，第二虎克铰(6)和第二2-DOF铰链(9)通过第二连杆(15)连接形成第二平行四边形摆杆，第三虎克铰(7)和第三2-DOF铰链(10)通过第三连杆(16)连接形成第三平行四边形摆杆；所述第一激光测距传感器(17)、第二激光测距传感器(18)、第三激光测距传感器(19)分别连接在第一2-DOF铰链(8)、第二2-DOF铰链(9)、第三2-DOF铰链(10)上；第一被动伸缩杆(2)、第二被动伸缩杆(3)、第三被动伸缩杆(4)的伸缩方向分别和第一激光测距传感器(17)、第二激光测距传感器(18)、第三激光测距传感器(19)发出的光线平行。

2.根据权利要求1所述的激光三维测量定位系统，其特征在于，所述主动伸缩杆(12)包括伸缩端(12-1)、固定端(12-2)、丝杆(12-3)、轴承(12-4)；所述伸缩端(12-1)与复合球铰(11)固定连接，固定端(12-2)通过万向节(13)安装于固定平台(1)上；万向节(13)可以作两个自由度的运动；所述丝杆(12-3)两端通过轴承(12-4)支承在固定端(12-2)内，丝杆(12-3)一端伸缩端(12-)1相连，另一端与手轮相连。

3.根据权利要求1所述的激光三维测量定位系统，其特征在于，所述连杆(14)包括杆一(14-1)和杆二(14-2)、杆三(14-3)、杆四(14-4)；所述杆一(14-1)两端分别连接第一2-DOF铰链(8)和第一虎克铰(5)，杆二(14-2)两端分别通过转动副与杆三(14-3)、杆四(14-4)连接，杆三(14-3)、杆四(14-4分)别与第一2-DOF铰链(8)和第一虎克铰(5)相连。

4.根据权利要求1所述的激光三维测量定位系统，其特征在于，所述操作机上的三个虎克铰链与测量机上对应的三个2-DOF铰链的连接采用机械方式、有线随动系统或无线随动系统连接。

5.根据权利要求1-4任一项所述的激光三维测量定位系统定位目标的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立第一2-DOF铰链(8)、第二2-DOF铰链(9)、第三2-DOF铰链(10)的定坐标系O-XYZ；

步骤2、调整操作机使三束激光汇聚在目标点；

步骤3、获得三个激光测距传感器测距长度S₁、S₂、S₃；

步骤4、求解定位目标的坐标：

其中x，y，z为激光汇聚点坐标；r为三个2-DOF铰链位置外接圆半径。

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