CN111948660B - 一种基于激光扫描的目标体自动识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光扫描的目标体自动识别方法，包括如下步骤：步骤1：架设旋转式激光收发装置，并在扫描区域内设置可反射激光的目标体，目标体具有唯一编码；步骤2：控制旋转式激光收发装置连续旋转并连续发射激光信号，同时连续高频采集旋转角度和目标体反射的激光信号；步骤3：对旋转角度和目标体反射的激光信号进行分析处理，识别出目标体的身份，并提取出目标体相对于旋转式激光收发装置中旋转平台的中心角度值，然后根据中心角度值，得出目标体在扫描区域内与旋转式激光收发装置的相对位置。本发明依托唯一编码、收发一体、同向旋转、无需定位、高频采集和多次叠加等技术处理，实现了目标体的精准自动识别。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种基于激光扫描的目标体自动识别方法，主要用于需要识别目标体并进行定位的行业中。
背景技术
在工程测量领域，常规测量目标的识别主要通过测量人员的人工照准来完成。测量机器人则通过事先输入待测对象的精准位置，确保目标出现在镜头视野中，然后通过马达等完成特定标识(棱镜头)处于镜头视野中的固定位置来达到目标识别。这些都需要专业测量人员的技术服务，如何降低测量行业的技术门槛，是当前测量行业的一个技术难题。
由于激光具有单色性和方向性好等特性，因此目前已广泛地将激光技术应用于测距及定位技术中。如申请号为201611200841.2的专利文献于2018年6月29日公开了一种采用激光扫描的目标定位方法，包括：针对激光发射装置的N个激光旋转扫描装置中的任意一个激光旋转扫描装置，在所述激光旋转扫描装置的每个扫描周期内，确定出第一参考时间和第二参考时间；所述激光接收装置根据所述第一参考时间和第二参考时间，以及预设的与所述第一参考时间对应的角度同步信号的第一角度和预设的与所述第二参考时间对应的角度同步信号的第二角度，确定出与所述第一时间对应的所述激光旋转扫描装置的第一电机旋转角速度；计算得到所述激光旋转扫描装置的旋转角度；所述激光接收装置根据N个激光旋转扫描装置的旋转角度和N个激光旋转扫描装置的坐标，确定出自身所在的位置。但该技术在实际应用中仍然存在如下技术问题：
1、激光发射装置位于扫描装置中，激光接收装置置于目标对象位置，且各装置均需要供电，导致装置的整体结构过于复杂。
2、在扫描定位时，同一时刻只支持一个激光旋转扫描装置对监测区域进行激光扫描，作业效率偏低。
3、整套设备采用的一字激光模组、光电开关以及旋转角度均基于两个旋转角速度不变的假设，这都表明整套设备的测量精度较低，其实际测量精度基本上不会超过1′，因而不能胜任精度不低于1″的高精度的定位服务。
4、当有多个测量目标时，存在着不能准确辨识测量目标的难度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供了一种基于激光扫描的目标体自动识别方法，其能够准确识别目标体的唯一编码和中心位置，依托同向旋转、无需定位、高频采集和多次叠加等技术处理，实现目标体精准的自动识别。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于激光扫描的目标体自动识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在指定位置架设旋转式激光收发装置，并在旋转式激光收发装置能够扫描到的任意区域内设置可反射激光的目标体，目标体具有唯一编码；
步骤2：控制旋转式激光收发装置连续旋转并连续发射激光信号，同时连续高频采集旋转角度和目标体反射的激光信号；
步骤3：对旋转角度和目标体反射的激光信号进行分析处理，识别出目标体的身份，并提取出目标体相对于旋转式激光收发装置中旋转平台的中心角度值，然后根据中心角度值，得出目标体在扫描区域内与旋转式激光收发装置的相对位置。
所述步骤3中，目标体相对于旋转平台的中心角度值的计算方法为：
其中，为目标体相对于旋转平台的中心角度值；α和β分别为目标体有激光反射信号时的旋转角度值；K为旋转一圈时累计编码器最小刻度下的采样点数，编码器用于测量旋转角度；X、Y分别为α和β角度值时的读数个数；n为转台旋转的圈数。
基于目标体的自动识别，旋转完成一整圈时，可依据进行数据质量的筛选，也可进行单圈内的多个目标体的平差处理；旋转多圈时，可以进行多个测量结果的均值化处理提升精度。
所述目标体包括反光材料，目标体的唯一编码为设置在反光材料上的条形码或电子标签。
所述目标体的数量至少为一个。
所述目标体相对于旋转平台的中心角度的测角精度不小于1″。
所述高频采集的采集频率为0.1-10MHz。
所述旋转式激光收发装置包括旋转机构和目标识别机构，所述旋转机构包括驱动器、由驱动器驱动的旋转平台和用于计算旋转平台旋转角度的编码器；所述目标识别机构包括均固定在旋转平台上的主控制器、激光发射器和激光接收器，激光发射器、激光接收器、驱动器和编码器均与主控制器连接，主控制器用于驱动激光发射器发射激光信号、用于记录激光接收器接收到的反射激光信号、用于通过驱动器控制旋转平台旋转和用于记录编码器的旋转角度值。
所述激光发射器和激光接收器均横向固定在旋转平台的上方。
所述的主控制器还连接有供电稳压模块和无线通信模块。
所述旋转机构还包括支架，支架的上部设置有限位柱，旋转平台通过限位柱安装在支架上。
采用本发明的优点在于：
1、本发明的优点在于能够部分消除机械加工误差等带来的影响。具体来说，本发明依托收发一体、同向旋转、无需定位、高频采集和多次叠加等技术处理，可消除机械加工误差等影响，提高目标体的识别精度。
2、本发明在目标体上设置有唯一编码的反光材料，有利于快速确认目标体的身份。
3、本发明中目标体的数量至少为一个，即本发明能够同时对多个目标体进行唯一编码和位置识别，识别效率更高，适用范围更广。
4、本发明将目标体相对于旋转平台的中心角度的测角精度设为不小于1″，使得本发明的测量精度能够达到或超过高精度全站仪的定位精度。
5、本发明将高频采集的频率限定为0.1-10MHz，其能够有效记录旋转角度和激光信号，达到细分角度的目的，从而提高角度识别精度。
6、本发明所述的旋转式激光收发装置主要由旋转机构和目标识别机构组成，采用该结构的旋转式激光收发装置具有结构简单、便于移动安装的优点；整套测量装置尺寸小、成本低、效率高、稳定可靠，应用场景广，既可用于长期定位测量，又可以用于短期项目的定位测量；整套装置中激光收发一体设计，解决了激光发射、激光接收信号的同步性问题；靶标具有一定的宽度，通过高频采集提高了数据精度；旋转机构不间歇，多次采集，提高了数据精度；支持多个旋转式激光收发装置同时工作，提高了作业效率。
7、本发明通过主控制器还连接有供电稳压模块和无线通信模块，其中，供电稳压模块具有稳定高精度的电压输出以及足够的负载能力，有利于为旋转式激光收发装置提供稳定的电源，通过无线通信模块能够实现远端通信以及测量数据的上传，以便于进行终端显示以及大数据分析。
8、本发明通过支架支撑旋转平台，保证了整个装置的稳固性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中旋转式激光收发装置的结构示意图；
图3为本发明中旋转式激光收发装置的工作原理图；
图4为本发明的识别原理图；
图中标记为：1、旋转平台，2、主控制器，3、激光发射器，4、激光接收器，5、供电稳压模块，6、无线通信模块，7、限位柱，8、反光材料，9、支架，10、目标体。
具体实施方式
实施例1
本发明公开了一种基于激光扫描的目标体自动识别方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1：在指定位置架设旋转式激光收发装置，并在旋转式激光收发装置能够扫描到的任意区域内设置可反射激光的目标体10，目标体10具有唯一编码。
其中，目标体10的数量至少为一个，当目标体10数量超过一个时，能够同时对多个目标体10进行识别。目标体10由反光材料8制成，反光材料8可原路反射激光信号。目标体10的唯一编码为设置在反光材料8上的条形码或电子标签，扫描到目标体10时，通过解析唯一编码即能够识别出该目标体10的身份。
步骤2：控制旋转式激光收发装置连续旋转并连续发射激光信号，同时连续高频采集旋转角度和扫描到目标体10后由目标体10反射的激光信号。
其中，旋转式激光收发装置进行低速旋转，高频采集的采集频率为0.1-10MHz，以在不影响处理速度的前提下，提高采样频率，提升目标体10识别精度。
步骤3：对旋转角度和目标体10反射的激光信号进行分析处理，解析识别出目标体10的身份，并提取出目标体10相对于旋转式激光收发装置中旋转平台1的中心角度值，然后根据中心角度值，得出目标体10在扫描区域内与旋转式激光收发装置的相对位置。
其中，目标体10相对于旋转平台1的中心角度的测角精度不小于1″，当扫描到目标体10时，高频采集的反射激光信号呈现有规律的变化特征，据此可解析出目标体10的反光中心，如图4所示。目标体10相对于旋转平台1的中心角度值的计算方法为：
其中，为目标体相对于旋转平台的中心角度；α和β分别为目标体有激光反射信号时的旋转角度值；K为旋转一圈时累计编码器最小刻度下的采样点数，编码器用于测量旋转角度；X、Y分别为α和β角度值时的读数个数；n为转台旋转的圈数。
基于目标体10的自动识别，旋转完成一整圈时，可依据进行数据质量的筛选，也可进行单圈内的多个目标体10的平差处理；旋转多圈时，可以进行多个测量结果的均值化处理提升精度。
本发明中，如图2所示，所述旋转式激光收发装置包括旋转机构、目标识别机构、供电稳压模块5和无线通信模块6，所述旋转机构包括驱动器、由驱动器驱动的旋转平台1和用于计算旋转平台1旋转角度的编码器；所述目标识别机构包括均固定在旋转平台1上的主控制器2、激光发射器3和激光接收器4，激光发射器3和激光接收器4均横向固定在旋转平台1的上方，激光发射器3、激光接收器4、驱动器、编码器、供电稳压模块5和无线通信模块6均与主控制器2连接，主控制器2用于驱动激光发射器3发射激光信号、用于记录激光接收器4接收到的反射激光信号、用于通过驱动器控制旋转平台1旋转和用于记录编码器的旋转角度值，主控制器2根据接收到的反射激光信号和编码器的旋转角度值等相关已知数据识别出目标位置。其中，如图3所示，各组成的作用如下：
旋转机构：能够快速响应来自主控制器2的指令，能够将细分的角度标记反馈给主控制器2。当主控制器2高频采集到激光接收器4反馈的高频信号时，主控制器2发送指令后，编码器能够将当前细分的刻度值准确反馈给主控制器2。
主控制器2：是整个测量装置的核心部件，主要用于驱动激光发射器3发射激光信号、用于接收来自激光接收器4的反射激光信号、用于通过驱动器控制平台体旋转和用于读取编码器的旋转角度值、用于根据接收到的反射激光信号和编码器的旋转角度值识别目标。同时，还能够与无线通信模块6通信，将测试数据无线上传到远端。
激光发射器3：由主控制器2驱动控制，为点或线状激光，具有精度高、扩散小、照射距离远、准直等特点。
激光接收器4：用于接收激光发射器3投射的反射激光信号，其接收电路能够将接收管光信号转化为对应的电压信号提供给主控制器2。
供电稳压模块5：主要为主控制器2、激光发射器3以及无线通信模块6提供稳定的电压输出，该供电稳压模块5可通过外部直流变压，也可通过锂电池储能转换为主控制器2、激光发射器3以及无线通信模块6需求的VCC供电电压，该供电稳压模块5具有稳定高精度的电压输出以及足够的负载能力。
无线通信模块6：用于实现远端通信、测量数据上传及无线组网，以便于进行终端的显示以及大数据分析。
本发明中，所述旋转机构还包括支架9，支架9优选为三角形架，支架9的上部设置有限位柱7，旋转平台1通过限位柱7安装在支架9上。使用时，旋转平台1由驱动器驱动在支架9上转动，从而带动旋转平台1上的激光发射器3和激光接收器4发射激光信号以及接收反射激光信号。
本发明在实际使用时，通常采用至少三套旋转式激光收发装置配合对目标体10进行识别定位，例如，可将多套旋转式激光收发装置设置在已知坐标点，将目标体10设置多套旋转式激光收发装置的共同通视区域内。通过旋转发射激光进行扫描，根据唯一编码得出目标体10的身份，并求出目标体10相对于各套旋转式激光收发装置中旋转平台1的中心角度值。再换算出目标体10与同时扫描到该目标体10的旋转式激光收发装置之间所形成三角形的内角值，最后结合旋转式激光收发装置的已知坐标，依托角度交会法等方法即可求出目标体10的坐标值。
实施例2
本实施例对实施例1所述技术方案进行了验证，如下：
1、设备选取
2、试验内容
在场地选取一个固定点用于设置旋转式激光收发装置，并在旋转式激光收发装置的可视范围内分别设置两个目标体，目标体上布设有具有唯一编码的反光材料，固定点距离两个目标体的水平距离分别为38米和70米。
3、试验过程
(1)将旋转平台通过测量三脚架对中架设在固定点上，然后启动设备低速连续旋转10圈。
(2)控制旋转式激光收发装置连续旋转并连续发射激光信号，同时以1MHz的采样频率连续采集旋转角度和两个目标体反射的激光信号，获取每一圈的每个目标体的α、β、X和Y。
(3)将上述数据代入如下公式，计算目标体相对于旋转平台的中心角度值：
其中，为目标体相对于旋转平台的中心角度；α和β分别为目标体有激光反射信号时的旋转角度值；K为旋转一圈时累计编码器最小刻度下的采样点数，编码器用于测量旋转角度；X、Y分别为α和β角度值时的读数个数；n为转台旋转的圈数；
为第1个目标体相对于旋转平台的中心角度；
为第2个目标体相对于旋转平台的中心角度；
ψ为第1个目标体和第2个目标体在旋转平面上的角度差。
4、试验对比
采用在旋转平台位置架设全站仪，型号为莱卡TCA2003，分别照射两个目标体，1个测回下的ψ。
5、验证结果
| 本发明得出结果 | 全站仪得出结果 | |
| ψ | 36°48′36.43″ | 36°48′36.2″ |
实验数据显示，本发明相对于全站仪，可精准测量角度，且精度可以达到1″。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (9)
1.一种基于激光扫描的目标体自动识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在指定位置架设旋转式激光收发装置，并在旋转式激光收发装置能够扫描到的任意区域内设置可反射激光的目标体(10)，目标体(10)具有唯一编码；
步骤2：控制旋转式激光收发装置连续旋转并连续发射激光信号，同时连续高频采集旋转角度和目标体(10)反射的激光信号；
步骤3：对旋转角度和目标体(10)反射的激光信号进行分析处理，识别出目标体(10)的身份，并提取出目标体(10)相对于旋转式激光收发装置中旋转平台(1)的中心角度值，然后根据中心角度值，得出目标体(10)在扫描区域内与旋转式激光收发装置的相对位置；
所述步骤3中，目标体(10)相对于旋转平台(1)的中心角度值的计算方法为：
其中，为目标体相对于旋转平台的中心角度值；α和β分别为目标体有激光反射信号时的旋转角度值；K为旋转一圈时累计编码器最小刻度下的采样点数，编码器用于测量旋转角度；X、Y分别为α和β角度值时的读数个数。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描的目标体自动识别方法，其特征在于：所述目标体(10)包括反光材料(8)，目标体(10)的唯一编码为设置在反光材料(8)上的条形码或电子标签。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描的目标体自动识别方法，其特征在于：所述目标体(10)的数量至少为一个。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描的目标体自动识别方法，其特征在于：所述目标体(10)相对于旋转平台(1)的中心角度的测角精度不小于1″。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描的目标体自动识别方法，其特征在于：所述高频采集的采集频率为0.1-10MHz。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种基于激光扫描的目标体自动识别方法，其特征在于：所述旋转式激光收发装置包括旋转机构和目标识别机构，所述旋转机构包括驱动器、由驱动器驱动的旋转平台(1)和用于计算旋转平台(1)旋转角度的编码器；所述目标识别机构包括均固定在旋转平台(1)上的主控制器(2)、激光发射器(3)和激光接收器(4)，激光发射器(3)、激光接收器(4)、驱动器和编码器均与主控制器(2)连接，主控制器(2)用于驱动激光发射器(3)发射激光信号、用于记录激光接收器(4)接收到的反射激光信号、用于通过驱动器控制旋转平台(1)旋转和用于记录编码器的旋转角度值。
7.根据权利要求6所述的一种基于激光扫描的目标体自动识别方法，其特征在于：所述激光发射器(3)和激光接收器(4)均横向固定在旋转平台(1)的上方。
8.根据权利要求6所述的一种基于激光扫描的目标体自动识别方法，其特征在于：所述的主控制器(2)还连接有供电稳压模块(5)和无线通信模块(6)。
9.根据权利要求6所述的一种基于激光扫描的目标体自动识别方法，其特征在于：所述旋转机构还包括支架(9)，支架(9)的上部设置有限位柱(7)，旋转平台(1)通过限位柱(7)安装在支架(9)上。
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