CN111220122A - 一种倾斜补偿的激光高程传感器及其应用、激光高程传感器倾斜补偿方法 - Google Patents
一种倾斜补偿的激光高程传感器及其应用、激光高程传感器倾斜补偿方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种倾斜补偿的激光高程传感器,包括激光传感模块、倾角检测模块、信号处理模块、通信传输模块、数显模块;信号处理模块对激光高程偏差信息进行解算得到高程偏差测量值,并通过俯仰角和横滚角得出激光高程传感器与激光基准平面信号的倾斜角,通过高程偏差测量值和倾斜角计算得出倾斜补偿后的高程偏差信息。本发明还涉及激光高程传感器的倾斜补偿方法,采用一种倾斜补偿的激光高程传感器。本发明还涉及一种倾斜补偿的激光高程传感器的应用。本发明可提高高程偏差检测精度,属于激光传感技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及激光传感技术,具体涉及一种倾斜补偿的激光高程传感器,还涉及激光高程传感器倾斜补偿方法,还涉及一种倾斜补偿的激光高程传感器的应用。
背景技术
目前,在混凝土地坪施工、道路摊铺施工和高标准农田建设等领域中广泛应用激光控制系统进行精准平整作业。该系统利用激光发射器产生的旋转激光信号作为基准平面,利用安装在桅杆上的激光高程传感器检测激光基准平面信号的高程偏差信息,控制液压系统进行机具自动升降调节,从而实现精准平整作业。
为了实现激光控制系统的精准平整作业,如CN201320178153.6公开了一种激光接收器,该激光接收器选用硅光电池作为光电探测器,进行激光高程偏差检测。CN201310138997.2公开了一种用于激光平地控制系统的激光接收器,通过光电传感单元检测激光的高程偏差信息。CN201711260034.4公开了一种与农用平地机配套使用的激光接收器,通过激光接收模块检测激光的高程偏差。CN201910162599.1公开了一种具有测距功能的激光传感器,通过光电转换阵列检测激光基准平面信号的高程偏差。目前已有产品在实际应用中存在的问题和不足:由于平整前地面地势结构较为复杂,使安装在桅杆上的传感器自身姿态的俯仰角与横滚角呈现不规则变化,明显降低了激光高程偏差检测精度,从而导致无法保证平整作业的精准性。此外,在平整作业时,现有激光传感器通常需与倾角传感器配合测量作业机具倾角,以进行自动调平控制,进一步提高作业精度和质量。
因此,有必要提供一种具有倾斜补偿功能的激光高程传感器,在检测激光高程偏差的同时检测传感器自身姿态的俯仰角信息与横滚角信息,补偿由于倾斜所造成的高程偏差检测误差,从而保证激光高程传感器的测量精度,并提供倾斜角度以便用于自动调平控制。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题,本发明的目的是:提供一种倾斜补偿的激光高程传感器和激光高程传感器倾斜补偿方法,在检测激光基准平面信号高程偏差的同时检测传感器自身姿态的俯仰角信息与横滚角信息,使得在平整作业过程中能够补偿由于倾斜所造成的高程偏差检测误差,提高激光高程偏差传感精度。
本发明的另一目的是,提供一种倾斜补偿的激光高程传感器的应用。
为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种倾斜补偿的激光高程传感器,包括激光传感模块、倾角检测模块、信号处理模块、通信传输模块、数显模块;激光传感模块将激光基准平面信号转换为电信号,并读取高程偏差信息;倾角检测模块同时检测激光高程传感器自身姿态的俯仰角与横滚角;信号处理模块对激光高程偏差信息进行解算得到高程偏差测量值,并通过俯仰角和横滚角计算得出激光高程传感器与激光基准平面信号的倾斜角,通过高程偏差测量值和倾斜角计算得出倾斜补偿后的高程偏差信息;通信传输模块通过总线与控制器进行全双工通信;数显模块实时显示倾斜补偿后的高程偏差信息、俯仰角信息与横滚角信息。
作为一种优选,激光传感模块包括光电高程传感阵列、滤波放大电路和整形展宽电路。
作为一种优选,光电高程传感阵列包括多个小面积光电二极管,光电二极管紧密的在竖直方向上排布成列,列的数量为一列或两列;当为两列时,两列光电二极管在水平方向上相互平行。
作为一种优选,高程零位置设置在光电高程传感阵列纵向任意位置,当激光基准平面信号照射在高程零位置上方时定义为正,下方则定义为负。
作为一种优选,倾角检测模块与激光传感模块的相对角度固定。
作为一种优选,数显模块包括显示倾斜补偿后的高程偏差信息的高程指示灯、显示俯仰角信息与横滚角信息的数显屏。
激光高程传感器的倾斜补偿方法,采用一种倾斜补偿的激光高程传感器,包括如下步骤:
S01、读取光电高程传感阵列测量的高程偏差信息,当单列光电高程传感阵列感应到激光基准平面信号时,光电高程传感阵列的高程偏差测量值为该阵列所测量的高程偏差,当两列光电高程传感阵列感应到激光基准平面信号时,光电高程传感阵列的高程偏差测量值为两列分别所测量的高程偏差的平均值,
式中:H——高程偏差测量值;
H1——单列光电高程传感阵列的高程偏差测量值;
H21、H22——两列光电高程传感阵列各自的高程偏差测量值;
S02、获取倾角检测模块测量到的俯仰角和横滚角信息,并计算出激光高程传感器与激光基准平面信号之间的倾斜角,
式中:γ——激光高程传感器与激光基准平面信号之间的倾斜角;
α——激光高程传感器的横滚角;
β——激光高程传感器的俯仰角;
S03、根据光电高程传感阵列高程偏差测量值和倾斜角进行倾斜补偿,
H0=H*sinγ
式中:H0——倾斜补偿后的高程偏差信息;
S04、倾斜补偿后的高程偏差信息、光电高程传感阵列的高程偏差测量值、横滚角和俯仰角信息发送至通信总线上;
S05、倾斜补偿后的高程偏差信息、光电高程传感阵列的高程偏差测量值、横滚角和俯仰角信息在数显模块上显示。
一种倾斜补偿的激光高程传感器的应用,用于在倾斜工况下提高激光高程传感器的高程偏差检测精度。
一种倾斜补偿的激光高程传感器的应用,使用一个激光高程传感器或两个激光高程传感器与机具配套使用,用于测量机具的倾斜角度,实现对机具的高程偏差和调平倾角同步测量与自动控制。
作为一种优选,机具为激光平地机、激光整平机或激光推土机。
本发明的原理是:采用激光传感模块和倾角检测模块,并通过倾斜补偿算法算出倾斜补偿后的高程偏差信息,并将该信息与俯仰角信息、横滚角信息通过数显模块直观的显示出来。
本发明具有如下优点:
1、本发明针对激光高程传感器倾斜引起高程偏差检测精度降低的问题,通过与倾角检测信息相融合,提高激光高程偏差检测的准确性。
2、本发明可检测单激光高程传感器和双激光高程传感器配套机具的倾斜角度,实现对机具的高程偏差和调平倾角同步测量与自动控制。
附图说明
图1是激光高程传感器的工作原理图。
图2a是单列光电高程传感阵列的倾斜补偿算法的原理图。
图2b是两列光电高程传感阵列的倾斜补偿算法的原理图。
图3是光电高程传感阵列的主视图。
图4是一个激光高程传感器与机具配套使用的示意图。
图5是两个激光高程传感器与机具配套使用的示意图。
其中,1为旋转激光发射器,2为光电高程传感阵列,3为倾角检测模块,4为光电二极管,5为机具,6为激光高程传感器,7为桅杆,XYZ为无倾斜时的参考坐标系,X’Y’Z’为倾斜后的参考坐标系,b为相邻光电二极管之间的距离。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
一种倾斜补偿的激光高程传感器,包括激光传感模块、倾角检测模块、信号处理模块、通信传输模块、数显模块;激光传感模块将激光基准平面信号转换为电信号,并读取高程偏差信息;倾角检测模块同时检测激光高程传感器自身姿态的俯仰角与横滚角;信号处理模块对激光高程偏差信息进行解算得到高程偏差测量值,并通过俯仰角和横滚角计算得出激光高程传感器与激光基准平面信号的倾斜角,通过高程偏差测量值和倾斜角计算得出倾斜补偿后的高程偏差信息;通信传输模块通过总线与控制器进行全双工通信;数显模块实时显示倾斜补偿后的高程偏差信息、俯仰角信息与横滚角信息。
激光传感模块包括光电高程传感阵列、滤波放大电路和整形展宽电路。其中,滤波放大电路的作用是滤除噪声信号干扰,并将光电转换后的微弱电信号进行有效放大,整形宽展电路的作用是将滤波放大后波形不规则的电信号调制成易于微处理器识别的TTL电平信号。光电高程传感阵列包括多个小面积光电二极管,光电二极管紧密的在竖直方向上排布成列,列的数量为一列或两列;当为两列时,两列光电二极管在水平方向上相互平行。
倾角检测模块与激光传感模块的相对角度固定。
数显模块包括显示倾斜补偿后的高程偏差信息的高程指示灯、显示俯仰角信息与横滚角信息的数显屏。
如图1所示,激光传感模块将激光基准平面信号转换为电信号。倾角检测模块紧贴光电高程传感阵列安装,可测量X轴方向与Y轴方向倾斜角度,即激光高程传感器的俯仰角与横滚角。在实际使用过程中,由于平整前地势结构较为复杂,使光电高程传感阵列自身姿态呈现不规则变化,对于激光高程偏差信息的检测造成严重干扰。当光电高程传感阵列的自身姿态无倾斜时,信号处理模块只需对激光高程偏差信息进行解算;当光电高程传感阵列的自身姿态产生倾斜时,信号处理模块通过倾斜补偿算法对高程偏差检测误差进行补偿。
如图2a所示,当单列光电高程传感阵列的自身姿态产生倾斜时,激光基准平面信号照射单列光电高程传感阵列的高程偏差测量值为H,单列光电高程传感阵列与激光基准平面信号之间的倾斜角为γ,倾角检测模块测得单列光电高程传感阵列的横滚角为α、俯仰角为β。根据勾股定理计算补偿后的高程偏差信息为H0,单列光电高程传感阵列倾斜补偿公式如下:
其中H0——倾斜补偿后的高程偏差信息;
H——高程偏差测量值;
γ——激光高程传感器与激光基准平面信号之间的倾斜角;
α——激光高程传感器的横滚角;
β——激光高程传感器的俯仰角。
如图2b所示,当两列光电高程传感阵列的自身姿态产生倾斜时,激光基准平面信号照射两列光电高程传感阵列的高程偏差测量值H21和H22分别为HL和HR,两列光电高程传感阵列的纵向中心线与激光基准平面信号之间的倾斜角为γ,倾角检测模块测得两列光电高程传感阵列的横滚角为α、俯仰角为β。根据勾股定理计算补偿后的高程偏差信息为H0,两列光电高程传感阵列倾斜补偿公式如下:
其中H0——倾斜补偿后的高程偏差信息;
H——高程偏差测量值;
HL——左列光电高程传感阵列的高程偏差测量值;
HR——右列光电高程传感阵列的高程偏差测量值;
γ——激光高程传感器与激光基准平面信号之间的倾斜角;
α——激光高程传感器的横滚角;
β——激光高程传感器的俯仰角。
如图3所示,选用小面积光电二极管紧密排列构成光电高程传感阵列,用于检测激光基准平面信号,其相邻两行光电二极管之间按一定间隔排布。光电高程传感阵列纵向任意位置可设定为高程零位置,当激光基准平面信号照射在高程零位置上方时定义为正,反之则定义为负。
如图4所示,一个激光高程传感器与机具配套使用时,单列和两列光电高程传感阵列的倾斜补偿算法均适用。在平整作业前,控制器选用手动调节模式,对机具的高程位置与水平位置进行标定。在平整作业过程中,控制器选用自动调节模式,通过激光传感模块得到机具的高程偏差信息,驱动高程液压系统调节机具的高程位置;通过倾角检测模块得到机具的俯仰角信息与横滚角信息,驱动液压调平系统调节机具的水平位置。
如图5所示,两个激光高程传感器与机具配套使用时,单列和两列光电高程传感阵列的倾斜补偿算法均适用。在平整作业前,控制器选用手动调节模式,对机具的高程位置与水平位置进行标定。在平整作业过程中,控制器选用自动调节模式,通过激光传感模块得到机具两端的高程偏差信息,驱动高程液压系统对机具两端的高程位置进行调节;将左右两个倾角检测模块得到的机具俯仰角信息与横滚角信息进行融合,驱动液压调平系统调节机具的水平位置。
本发明所提供的具有倾斜补偿功能的激光高程传感器可以补偿由于传感器自身姿态倾斜所造成的高程偏差检测误差,提高平整作业的精度与效率。
本发明还可以应用于激光整平机、激光推土机等工程机械。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种倾斜补偿的激光高程传感器,其特征在于:包括激光传感模块、倾角检测模块、信号处理模块、通信传输模块、数显模块;
激光传感模块将激光基准平面信号转换为电信号,并读取高程偏差信息;
倾角检测模块同时检测激光高程传感器自身姿态的俯仰角与横滚角;
信号处理模块对激光高程偏差信息进行解算得到高程偏差测量值,并通过俯仰角和横滚角计算得出激光高程传感器与激光基准平面信号的倾斜角,通过高程偏差测量值和倾斜角计算得出倾斜补偿后的高程偏差信息;
通信传输模块通过总线与控制器进行全双工通信;
数显模块实时显示倾斜补偿后的高程偏差信息、俯仰角信息与横滚角信息。
2.按照权利要求1所述的一种倾斜补偿的激光高程传感器,其特征在于:激光传感模块包括光电高程传感阵列、滤波放大电路和整形展宽电路。
3.按照权利要求2所述的一种倾斜补偿的激光高程传感器,其特征在于:光电高程传感阵列包括多个小面积光电二极管,光电二极管紧密的在竖直方向上排布成列,列的数量为一列或两列;当为两列时,两列光电二极管在水平方向上相互平行。
4.按照权利要求3所述的一种倾斜补偿的激光高程传感器,其特征在于:高程零位置设置在光电高程传感阵列纵向任意位置,当激光基准平面信号照射在高程零位置上方时定义为正,下方则定义为负。
5.按照权利要求1所述的一种倾斜补偿的激光高程传感器,其特征在于:倾角检测模块与激光传感模块的相对角度固定。
6.按照权利要求1所述的一种倾斜补偿的激光高程传感器,其特征在于:数显模块包括显示倾斜补偿后的高程偏差信息的高程指示灯、显示俯仰角信息与横滚角信息的数显屏。
7.激光高程传感器的倾斜补偿方法,其特征在于:采用权利要求1-6中任一项所述的一种倾斜补偿的激光高程传感器,包括如下步骤:
S01、读取光电高程传感阵列测量的高程偏差信息,当单列光电高程传感阵列感应到激光基准平面信号时,光电高程传感阵列的高程偏差测量值为该阵列所测量的高程偏差,当两列光电高程传感阵列感应到激光基准平面信号时,光电高程传感阵列的高程偏差测量值为两列分别所测量的高程偏差的平均值,
式中:H——高程偏差测量值;
H1——单列光电高程传感阵列的高程偏差测量值;
H21、H22——两列光电高程传感阵列各自的高程偏差测量值;
S02、获取倾角检测模块测量到的俯仰角和横滚角信息,并计算出激光高程传感器与激光基准平面信号之间的倾斜角,
式中:γ——激光高程传感器与激光基准平面信号之间的倾斜角;
α——激光高程传感器的横滚角;
β——激光高程传感器的俯仰角;
S03、根据光电高程传感阵列高程偏差测量值和倾斜角进行倾斜补偿,
H0=H*sinγ
式中:H0——倾斜补偿后的高程偏差信息;
S04、倾斜补偿后的高程偏差信息、光电高程传感阵列的高程偏差测量值、横滚角和俯仰角信息发送至通信总线上;
S05、倾斜补偿后的高程偏差信息、光电高程传感阵列的高程偏差测量值、横滚角和俯仰角信息在数显模块上显示。
8.按照权利要求1-6中任一项所述的一种倾斜补偿的激光高程传感器的应用,其特征在于:用于在倾斜工况下提高激光高程传感器的高程偏差检测精度。
9.按照权利要求1-6中任一项所述的一种倾斜补偿的激光高程传感器的应用,其特征在于:使用一个激光高程传感器或两个激光高程传感器与机具配套使用,用于测量机具的倾斜角度,实现对机具的高程偏差和调平倾角同步测量与自动控制。
10.按照权利要求9所述的一种倾斜补偿的激光高程传感器的应用,其特征在于:机具为激光平地机、激光整平机或激光推土机。
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CN202010108270.XA CN111220122A (zh) | 2020-02-21 | 2020-02-21 | 一种倾斜补偿的激光高程传感器及其应用、激光高程传感器倾斜补偿方法 |
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CN113091695A (zh) * | 2021-03-05 | 2021-07-09 | 华南农业大学 | 一种具有平面定位和毫米级精度的高程测量方法 |
CN115077499A (zh) * | 2021-03-12 | 2022-09-20 | 广东博智林机器人有限公司 | 一种激光调平方法、装置、施工设备及存储介质 |
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