CN111551132A - 基于激光测距的平面物体偏转角度测量方法 - Google Patents

基于激光测距的平面物体偏转角度测量方法 Download PDF

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史洪宾
范磊
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Abstract

本发明涉及平面物体偏转角度测量技术领域，公开了基于激光测距的平面物体偏转角度测量方法，通过光源对物体绕轴偏转前和绕轴偏转前后照射，并分别结合光源的平面坐标，得到物体偏转前参考平面的方程A和物体绕轴偏转后参考平面的方程B，通过方程A和方程B获得两个参考平面的夹角，夹角的角度为平面物品的实际偏转角度。本发明的有益效果是：本发明用于测量平面物体绕轴运动后的偏转角度，实现无接触式测量，避免了人为因素和器件磨损、形变引起的测量误差，提高测量精度。

Description

基于激光测距的平面物体偏转角度测量方法
技术领域
本发明涉及平面物体偏转角度测量技术领域，具体的说，是基于激光测距的平面物体偏转角度测量方法。
背景技术
目前，测量平面物体绕轴运动后的偏转角度通常是利用接触式的测量方法，包括在平面物体表面安装测量器件或装置(角度尺、拉绳、传感器等)，通过器件或装置显示的数值变化进行偏转角度的计算。
采用角度尺测量方法需要将被测物体置于水平位置，并且使角度尺与转轴垂直，在读取数据时需保证视线与角度尺垂直，此方法原理简单，但由于角度尺指针存在阻尼，且安装夹具和人工读数均会产生误差，因此测量结果精度较低。
采用拉绳式测量方法需要将夹具夹到被测物体固定位置，并需精确测量出拉绳变化长度，通过拉绳的长度变化计算出物体角度变化，此方法测量时无需将被测物体置于水平位置，但是由于拉绳存在弹性形变，导致测量结果误差较大。
采用传感器测量方法需要将传感器固定到被测物体上，测出偏转角度后，用电缆将传感器数据传输至地面进行解读和显示，此方法精度较高，但传感器与计算机用电缆连接，被测物体运动时有安全隐患。
综上所述，接触式测量方法受人为因素(安装、读数等)的影响，造成测量结果存在随机误差，加上角度尺、拉绳等测量器件的磨损、机械阻尼和形变，加大了测量的不精确性。
发明内容
本发明的目的在于提供基于激光测距的平面物体偏转角度测量方法，用于测量平面物体绕轴运动后的偏转角度，实现无接触式测量，避免了人为因素和器件磨损、形变引起的测量误差，提高测量精度。
本发明通过下述技术方案实现：
基于激光测距的平面物体偏转角度测量方法，通过光源对物体绕轴偏转前和绕轴偏转前后照射，并分别结合光源的平面坐标，得到物体偏转前参考平面的方程A和物体绕轴偏转后参考平面的方程B，通过方程A和方程B获得两个参考平面的夹角，夹角的角度为平面物品的实际偏转角度。
进一步地，为了更好的实现本发明，具体包括以下步骤：
步骤S1：平面物体绕轴偏转前，光源通过平面不共线的三点射出三束平行激光光束垂直照射物体表面，得到三个偏转前测量点，三个偏转前测量点形成一个偏转前参考平面；
步骤S2：确定偏转前参考平面的方程A；
步骤S3：在平面物体绕轴偏转前光源通过平面不共线的三点射出三束平行激光光束垂直照射物体表面，得到三个偏转后测量点，三个偏转后测量点形成一个偏转后参考平面；
步骤S4：确定偏转后参考平面的方程B；
步骤S5：通过方程A和方程B获得偏转前参考平面和偏转后参考平面的夹角，夹角的角度即为平面物体的实际偏转角度。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S2具体是指：利用激光测距原理获取三个偏转前测量点到对应光源的距离，结合光源自身的平面坐标，得到三个测量点偏转前的空间坐标确定偏转前参考平面的方程A。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S4具体是指：利用激光测距原理获取三个偏转后测量点到对应光源的距离，结合光源自身的平面坐标，得到三个测量点偏转后的空间坐标确定偏转前参考平面的方程B。
所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11：平面物体绕轴偏转前，三束激光光束平行设置且垂直向平面物体射出，以三束激光光束射出方向为Z轴构建三维直角坐标系，得到三个激光测距点的坐标；
步骤S12：三束激光光束照射在平面物体上，形成三个偏转前测量点，偏转前测量点将构成一个偏转前参考平面。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明用于测量平面物体绕轴运动后的偏转角度，实现无接触式测量，避免了人为因素和器件磨损、形变引起的测量误差，提高测量精度。
附图说明
图1是本发明中使用的三束激光光束的示意图；
图2是本发明中平面物体偏转前，三束激光光束照射在物体表面构成的参考平面示意图；
图3是本发明中平面物体偏转前，三束激光光束照射在物体表面构成的参考平面示意图；
图4是本发明中偏转前参考平面和偏转后参考平面所形成夹角示意图；
其中1、偏转前参考平面；2、偏转后参考平面。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
本发明通过下述技术方案实现，如图1-图4所示，基于激光测距的平面物体偏转角度测量方法，通过光源对物体绕轴偏转前和绕轴偏转前后照射，并分别结合光源的平面坐标，得到物体偏转前参考平面的方程A和物体绕轴偏转后参考平面2的方程B，通过方程A和方程B获得两个参考平面的夹角，夹角的角度为平面物品的实际偏转角度。
需要说明的是，通过上述改进，实现无接触式测量，避免了人为因素安装、读数等和器件磨损、形变引起的测量误差，提高测量精度。
实施例2：
本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1-图4所示，进一步地，为了更好的实现本发明，具体包括以下步骤：
步骤S1：平面物体绕轴偏转前，光源通过平面不共线的三点射出三束平行激光光束垂直照射物体表面，得到三个偏转前测量点，三个偏转前测量点形成一个偏转前参考平面1；
具体包括以下步骤：平面物体绕轴偏转前，三束激光光束平行设置且垂直向平面物体射出，以三束激光光束射出方向为Z轴构建三维直角坐标系，得到三个激光测距点的坐标；
三束激光光束照射在平面物体上，形成三个偏转前测量点，偏转前测量点将构成一个偏转前参考平面1；
步骤S2：确定偏转前参考平面1的方程A；
所述步骤S2具体是指：利用激光测距原理获取三个偏转前测量点到对应光源的距离，结合光源自身的平面坐标，得到三个测量点偏转前的空间坐标，确定偏转前参考平面1的方程A。
步骤S3：在平面物体绕轴偏转前光源通过平面不共线的三点射出三束平行激光光束垂直照射物体表面，得到三个偏转后测量点，三个偏转后测量点形成一个偏转后参考平面2；
步骤S4：确定偏转后参考平面2的方程B；所述步骤S4具体是指：利用激光测距原理获取三个偏转后测量点到对应光源的距离，结合光源自身的平面坐标，得到三个测量点偏转后的空间坐标确定偏转前参考平面1的方程B。
步骤S5：通过方程A和方程B获得偏转前参考平面1和偏转后参考平面2的夹角，夹角的角度即为平面物体的实际偏转角度。
需要说明的是，通过上述改进，如图1所示，其中G1、G2、G3分别是三个激光测距点，A1、A2、A3分别为G1、G2、G3对应的激光光束。使用时需保证激光光束A1、A2、A3平行射出且垂直于G1、G2、G3构成的平面。
构建三维直角坐标系，其中G1、G2、G3所在平面为XOY平面、激光光束指向方向为Z轴，得到三个激光测距点的坐标分别为G1(X1,Y1,0)、G2(X2,Y2,0)、G3(X3,Y3,0)。
图2所示，三束激光光束照射在未绕轴偏转转动的平面物体上，形成A、B、C三个偏转前测量点，其中G1点发射的光束对应点A,G2点发射的光束对应点B,点发射的光束对应点C。A、B、C三点构成偏转前参考平面1，根据激光测距得到的A、B、C与XOY平面距离为Z1、Z2、Z3，得到A、B、C三点的空间坐标分别为：A(X1,Y1,Z1)、B(X2,Y2,Z2)、C(X3,Y3,Z3)。
结合实际投影情况，偏转前参考平面1不可能平行于XOZ平面和YOZ平面，因此定义偏转前参考平面1的方程为：a1X+b1Y+Z+d1＝0。根据A、B、C三点坐标，计算得到a1、b1、c1的数值。可将三点坐标带入方程得到：
Figure BDA0002494410940000041
最后得到偏转前参考平面1的方程中的三个未知参数G3分别为：
Figure BDA0002494410940000042
图3所示，采用同样的方法，构建三维直角坐标系，其中G1、G2、G3所在平面为XOY平面、激光光束指向方向为Z轴，得到三个激光测距点的坐标分别为G1(X′1、Y′1、0)、G2(X′2、Y′2、0)、G3(X′3、Y′3、0)。
图2所示，三束激光光束照射在绕轴偏转转动后的平面物体上，形成A′、B′、C′三个偏转后测量点，其中G1点发射的光束对应点A′,G2点发射的光束对应点B′,G3点发射的光束对应点C′。A′、B′、C′三点构成偏转后参考平面22，根据激光测距得到的A′、B′、C′与XOY平面距离为Z′1、Z′2、Z′3，得到A′、B′、C′三点的空间坐标分别为：A′(X′1、Y′1、Z′1)、B′(X′2、Y′2、Z′2)、C′(X′3、Y′3、Z′3)。
最终得到偏转后参考平面22的平面方程：a2X+b2Y+Z+d2＝0中的三个参数为：
Figure BDA0002494410940000051
图4所示，偏转前参考平面1和偏转后参考平面2相交于直线EF，平面的夹角为∠CFC'，其数值为θ。两个参考平面法向量分别为:(a1 b1 1)和(a2 b2 1)，通过计算两个参考平面法线夹角可以得到θ如下：
Figure BDA0002494410940000052
本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于激光测距的平面物体偏转角度测量方法，其特征在于：通过光源对物体绕轴偏转前和绕轴偏转前后照射，并分别结合光源的平面坐标，得到物体偏转前参考考面（1）的方程A和物体绕轴偏转后参考平面（2）的方程B，通过方程A和方程B获得两个参考平面的夹角，夹角的角度为平面物品的实际偏转角度。
2.根据权利要求1所述的基于激光测距的平面物体偏转角度测量方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤S1：平面物体绕轴偏转前，光源通过平面不共线的三点射出三束平行激光光束垂直照射物体表面，得到三个偏转前测量点，三个偏转前测量点形成一个偏转前参考平面（1）；
步骤S2：确定偏转前参考平面（1）的方程A；
步骤S3：在平面物体绕轴偏转前光源通过平面不共线的三点射出三束平行激光光束垂直照射物体表面，得到三个偏转后测量点，三个偏转后测量点形成一个偏转后参考平面（2）；
步骤S4：确定偏转后参考平面（2）的方程B；
步骤S5：通过方程A和方程B获得偏转前参考平面（1）和偏转后参考平面（2）的夹角，夹角的角度即为平面物体的实际偏转角度。
3.根据权利要求2所述的基于激光测距的平面物体偏转角度测量方法，其特征在于：所述步骤S2具体是指：利用激光测距原理获取三个偏转前测量点到对应光源的距离，结合光源的平面坐标，得到三个测量点偏转前的空间坐标确定偏转前参考平面（1）的方程A。
4.根据权利要求3所述的基于激光测距的平面物体偏转角度测量方法，其特征在于：所述步骤S4具体是指：利用激光测距原理获取三个偏转后测量点到对应光源的距离，结合光源的平面坐标，得到三个测量点偏转后的空间坐标确定偏转前参考平面（1）的方程B。
5.根据权利要求2所述的基于激光测距的平面物体偏转角度测量方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11：平面物体绕轴偏转前，三束激光光束平行设置且垂直向平面物体射出，以三束激光光束射出方向为Z轴构建三维直角坐标系，得到三个激光测距点的坐标；
步骤S12：三束激光光束照射在平面物体上，形成三个偏转前测量点，偏转前测量点将构成一个偏转前参考平面（1）。
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