CN112129261B - 一种变角度测距仪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变角度测距仪，包括测量支杆、第一激光发射器、第二激光发射器、双轴倾角传感器、控制器和显示装置；所述测量支杆的一端固定套设有固定块，所述第一激光发射器通过第一转动机构与所述固定块转动连接；所述测量支杆的杆身上滑动套设有滑块，所述第二激光发射器通过第二转动机构与所述滑块转动连接，所述双轴倾角传感器与所述第二激光发射器固定连接；所述控制器的输入端与所述双轴倾角传感器电连接，接收所述双轴倾角传感器获取的角度的电信号；所述显示装置与所述控制器的输出端电连接。

Description

一种变角度测距仪及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种变角度测距仪，属于测量装置技术领域。

背景技术

水电生产运行工作中，经常需要进行各类测量工作，例如判断集水井水位、确定安全距离、测量设备尺寸、建筑物高度等。这类工作虽然不要求高精度测量，但是往往具有工作地点分布广泛、被测设备结构复杂、测量条件恶劣等特点，无法进行点对点测距，或者安装自动化传感器，且在测量精度没有专业级要求时也不可能请专业观测人员现场测量。

水电厂现有测量方式主要有四类，一是使用已装设的液位传感器传感器，如水位、油位的测量等；二是由水工观测班使用专业仪器进行测量，如大坝沉降变形监测等；三是使用激光测距仪进行测量，如手持激光测距仪进行点对点测量等；四是安装水尺目测读数，如集水井水井测量等。

(1)使用传感器自动采集则主要有超声波式、压力式、浮子机械编码式、雷达式等测量手段。但是，因为集水井水位变幅大、井内温湿度变化快、水质差导致接触式测量元件易结垢、信号传输距离远等原因，造成测量误差大、精度低，降低水电站自动化运维水平，增加了维护量，更造成严重安全风险。

(2)日常运维中所有的测量工作如果都使用高精度专业仪器测量，将大幅提公司运营成本。

(3)激光测距仪主要通过点对点、勾股定理等对物体进行测量。当工作环境不理想，如日照强烈、温差过大、或被测物体表面反光较大时，会严重影响最终测量数值。

(4)目测水尺读数的方式则需要耗费人力，当水尺被淤泥或杂物遮挡时，读数误差较大，且实时性不高，恶劣环境下读取水位人员的安全也不能保证。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种变角度测距仪，布置灵活，可任意放置，应用要求低，不受地面条件影响，采用角度算法实现测距，不受被测物体表面反光影响。

本发明的技术方案如下：

技术方案一：

一种变角度测距仪，包括测量支杆、第一激光发射器、第二激光发射器、双轴倾角传感器、控制器和显示装置；所述测量支杆的一端固定套设有固定块，所述第一激光发射器通过第一转动机构与所述固定块转动连接；所述测量支杆的杆身上滑动套设有滑块，所述第二激光发射器通过第二转动机构与所述滑块转动连接，所述双轴倾角传感器与所述第二激光发射器固定连接；所述第一激光发射器用于定位目标位置，所述第二激光发射器用于定位测量支杆杆身上不同位置到目标位置之间的角度，所述双轴倾角传感器用于获取对应角度的电信号；所述控制器的输入端与所述双轴倾角传感器电连接，接收所述双轴倾角传感器获取的角度的电信号，并根据不同位置与目标位置之间的角度以及不同位置之间的距离计算测量支杆与目标位置间的位置关系；所述显示装置与所述控制器的输出端电连接，用于显示位置关系的信息。

进一步的，所述第一转动机构和第二转动机构为双轴转动机构。

进一步的，所述测量支杆的杆身上等距间隔开设有复数个定位孔；所述滑块通过定位螺栓和定位孔的配合固定于所述测量支杆杆身上的不同位置。

进一步的，所述控制器包括单片机和键盘，所述键盘与所述单片机的输入端电连接，用于向单片机发送指令。

技术方案二：

根据技术方案一所述的一种变角度测距仪的使用方法，包括以下步骤：

将测量支杆放置在测量点，打开第一激光发射器，调整第一转动机构使第一发射器的光斑对准目标位置；

移动滑块，将滑块固定于初始测量点，调整第二转动机构使第二发射器的光斑对准第一发射器的光斑，同时通过键盘控制单片机获取当前双轴倾角传感器获取的角度的电信号作为初始角度；向初始测量点的一方向移动滑块至A测量点，调整第二转动机构使第二发射器的光斑对准第一发射器的光斑，同时获取A测量点的角度；向初始测量点的另一方向移动滑块至B测量点，使B测量点到初始测量点的距离与A测量点到初始测量点的距离相等，同时调整第二转动机构使第二发射器的光斑对准第一发射器的光斑，并获取B测量点的角度；

通过键盘控制单片机进行计算，输出初始测量点与目标位置之间的位置关系至显示装置显示。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明一种变角度测距仪，利用高精度双轴倾角传感器测量变化角度的基础上，进行空间模型运算，间接准确地测量出被测物体与仪器之间的距离。

2、本发明一种变角度测距仪，布置方式灵活，可任意放置，应用要求低，不受地面条件影响。

3、本发明一种变角度测距仪，采用角度算法实现测距，不受被测物体表面反光影响。

4、本发明一种变角度测距仪，操作方法简单，测量准确，可靠性高，且具向上、水平、乃至任意角度测距功能，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为固定块和第一激光发射器的结构示意图；

图3为滑块和第二激光发射器的结构示意图；

图4为控制器的电路原理框图；

图5双轴倾角传感器和旋转轴的空间示意图；

图6为双轴倾角传感器和旋转轴的空间模型；

图7为经过坐标变化后的数学模型示意图；

图8为位置关系的数学模型示意图；

图9为激光发射器在测量支杆上的布局示意图；

图10为测量方法的原理示意图。

图中附图标记为：

1、测量支杆；11、固定块；12、滑块；13、定位孔；21、第一激光发射器；22、第二激光发射器；23、双轴倾角传感器；3、控制器；31、单片机；32、键盘；4、显示装置；51、第一双轴转动机构； 52、第二双轴转动机构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。

实施例一：

参见图1至图4，一种变角度测距仪，包括测量支杆1、第一激光发射器21、第二激光发射器22、双轴倾角传感器23、控制器3和显示装置4；所述测量支杆1的一端固定套设有固定块11，所述第一激光发射器21通过第一转动机构51与所述固定块11转动连接；所述测量支杆1的杆身上滑动套设有滑块12，所述第二激光发射器22 通过第二转动机构52与所述滑块12转动连接，所述双轴倾角传感器 23与所述第二激光发射器22固定连接；所述第一激光发射器21用于定位目标位置，所述第二激光发射器22用于定位测量支杆1杆身上不同位置到目标位置之间的角度，所述双轴倾角传感器23用于获取对应角度的电信号；所述控制器3的输入端与所述双轴倾角传感器 23电连接，接收所述双轴倾角传感器23获取的角度的电信号，并根据不同位置与目标位置之间的角度以及不同位置之间的距离计算测量支杆1与目标位置间的位置关系；所述显示装置4与所述控制器3 的输出端电连接，用于显示位置关系的信息。

进一步的，参见图2和图3，所述第一转动机构51和第二转动机构52为双轴转动机构，双轴转动机构包括水平面的转轴以及转动套设水平面的转轴上的另一转轴，第一激光发射器21或第二激光发射器22设置在另一转轴上，可以让第一激光发射器21或第二激光发射器22在空间内任意转动，调整激光射线的位置。

进一步的，所述测量支杆1的杆身上等距间隔开设有复数个定位孔13；所述滑块12通过定位螺栓和定位孔13的配合固定于所述测量支杆1杆身上的不同位置。

进一步的，所述控制器3包括单片机31和键盘32，所述键盘32 与所述单片机31的输入端电连接，用于向单片机31发送指令；在本实施例中，单片机采用STC89C516 RD+单片机；键盘上包括复位键，测量键，数据冻结键，选择键。

实施例二：

一种变角度测距仪的使用方法，包括以下步骤：

将测量支杆1放置在测量点，打开第一激光发射器21，调整第一转动机构51使第一发射器的光斑对准目标位置；

移动滑块12，将滑块12固定于初始测量点，调整第二转动机构 52使第二发射器的光斑对准第一发射器的光斑，同时通过键盘控制单片机获取当前双轴倾角传感器23获取的角度的电信号作为初始角度；向初始测量点的一方向移动滑块12至A测量点，调整第二转动机构52使第二发射器的光斑对准第一发射器的光斑，同时获取A测量点的角度；向初始测量点的另一方向移动滑块12至B测量点，使 B测量点到初始测量点的距离与A测量点到初始测量点的距离相等，同时调整第二转动机构52使第二发射器的光斑对准第一发射器的光斑，并获取B测量点的角度；

通过键盘控制单片机进行计算，输出初始测量点与目标位置之间的位置关系至显示装置4显示。

本实施例的原理如下：

双轴倾角传感器的两个测量轴OX和OY是相互垂直的，并构成一个测量平面M，其和旋转轴的位置关系如图5所示；同样，在旋转轴和水平面有夹角的情况下，任何一个测量轴和旋转轴之间成空间异面关系，建立的模型如图6所示；

图6中，旋转轴L和水平面夹角为β，其投影为y轴，两个测量轴OX0 和OY0构成测量平面M0，ov轴(即L轴)在平面上的投影为OP，设OP和ov之间夹角为γ，OP和OY0夹角为α。法向量设为OZ0，并以该法向量在yoz平面内为初始零位。由于OZ0是平面的法向量，且在yoz平面内，垂直于ox轴，那么ox在平面内。由于测量轴OX0和 OY0是垂直的，所以OX0和ox之间的夹角也是α。这样，由α、β、γ可唯一确定双轴倾角传感器的旋转模型。

初始值为

X₀＝[cosα,sinαcosγ,sinαsinγ]，Y₀＝[-sinα,cosαcosγ,cosαsinγ]

当逆时针旋转，绕v轴旋转则旋转矩阵为：

绕旋转轴转θ角后，X₀·R_v(θ)与Y₀·R_v(θ)得

X＝[cosαcosθ+sinαsinγsinθ,sinαcosγ,-cosαcosθ +sinαsinγcosθ]

Y＝[-sinαcosθ+cosαsinγsinθ,cosαcosγ,sinαsinθ +csoαsinγcosθ]

与Z轴[0,sinβ,cosβ]夹角即为输出

U_X＝cos(X,Z)＝sinαcosγsinβ-cosαcosβsinθ+sinαsinγcosβcosθ

U_Y＝cos(Y,Z)＝cosαcosγsinβ-sinαcosβsinθ+cosαsinγcosβcosθ

由此，建立了双轴倾角传感器的输出信号和旋转角度之间的数学模型，其中α、β、γ就是倾角传感器空间安装的位置参数。

U_X,U_Y进行二维旋转，即

当sinγcosβ≠0时有

参见图7，将U_X,U_Y坐标系下的斜椭圆逆时针旋转α角后变为U′_X、 U′_Y坐标系下的圆心为(0，cosγ·sinβ)的标准椭圆。因此：

假设：

于是有：

可由求根公式得：

由旋转变换可知：

U′_Y＝U_Xsinα+U_Ycosα

所以：

当

时，取

当

时，取

U′_X、U′_Y坐标系椭圆圆心坐标为(0,cosγ·sinβ)，

因为

且cos²γ≤1

所以

先确定α、β、γ角度范围，本项目中0°<α<90°，0°<γ<90°， -180°<β<0°。则椭圆如图8所示，做直线

平行于U′_X轴，交U′_Y轴于C点。

从图知，在U′_X、U′_Y坐标系下，只要椭圆最低点在

之上，则恒有

当-90°<β<0°时，

β<arctan(-cotγ)

故有β<-90°+γ

当-180°<β<-90°时，

β>arctan(-cotγ)

故有β>-90°-γ

因此-90°-γ<β<-90°+γ时，(1)式取正号

即

若γ接近90°则β在较大范围内变化时，(2)式均成立，满足实际应用需求。

设备安装好后，α、γ不变，保持旋转轴与水平面角度不变

取三组(U_X，U_Y),有式(2)可求出(α，β，γ)；

改变角度β，求出多组α、γ后进行平均，即可求出较为精确的α、γ值。

当α、γ确定后，由式(2)求出β值。

由U′_X二维旋转变换知，

U′_X＝U_X·cosα-U_Y·sinα＝-cosβ·sinθ (3)

求出θ。转动旋转轴即可得Δθ。

把双轴倾角传感器23放置在测量支杆1上，固定α、γ角，通过测量变化的β角进行测量。

图9中，在测量支杆1上，利用固定激光即第一激光发射器21 定位测量目标，再把可移动激光即第二激光发射器22与双轴倾角传感器23共同固定于滑块12，移动滑块12在测量支杆1上从O→A→B 三点移动，使得移动的激光光斑与固定激光重合确定出Δθ1＝、Δθ2， OA＝OB＝L(L可以通过测量支杆1上的定位孔13进行人为设置)。

图10为测量方法建模图：O为仪器位置，P为测量目标，A、B 为另外两测量点(通过移动仪器位置实现)，令OA＝OB＝L，OP＝OP’＝d。

那么Δθ1＝θ2-θ1，Δθ2＝θ1-θ3，通过相似三角形和余弦定理，可以求出：

OB⊥平面AOC,OB为旋转轴，OB与在xOy坐标平面夹角为β，假设∠AOA’＝θ，∠AOP₁＝x₀，∠A′OP₂＝x，那么：

因为OA′＝OA

所以sinx＝sinx₀·cosθ

①当在β第四象限：

②同理，当在β第三象限：

sinx＝-cosβ·cos(|θ-θ₀|)

θ₀为调试得出，调试过程：在β变化范围内令激光照射点为最高点，对应x₀为最大值时测出的θ值即为θ₀。上式表示的θ₀为零点，当转动OB时，|θ-θ₀|即为变化角。

h＝d·sinx，朝上测h为正，朝下测h为负，

即，测量仪器的高程加h等于目标位置与测量支杆1上O点间的距离。同时，还可以测量出任意点距离、高度、水平距离。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种变角度测距仪的使用方法，基于一种变角度测距仪实现，其特征在于，所述变角度测距仪包括测量支杆(1)、第一激光发射器(21)、第二激光发射器(22)、双轴倾角传感器(23)、控制器(3)和显示装置(4)；所述测量支杆(1)的一端固定套设有固定块(11)，所述第一激光发射器(21)通过第一转动机构(51)与所述固定块(11)转动连接；所述测量支杆(1)的杆身上滑动套设有滑块(12)，所述第二激光发射器(22)通过第二转动机构(52)与所述滑块(12)转动连接，所述双轴倾角传感器(23)与所述第二激光发射器(22)固定连接；所述第一激光发射器(21)用于定位目标位置，所述第二激光发射器(22)用于定位测量支杆(1)杆身上不同位置到目标位置之间的角度，所述双轴倾角传感器(23)用于获取对应角度的电信号；所述控制器(3)的输入端与所述双轴倾角传感器(23)电连接，接收所述双轴倾角传感器(23)获取的角度的电信号，并根据不同位置与目标位置之间的角度以及不同位置之间的距离计算测量支杆(1)与目标位置间的位置关系；所述显示装置(4)与所述控制器(3)的输出端电连接，用于显示位置关系的信息；所述控制器(3)包括单片机和键盘，所述键盘与所述单片机的输入端电连接，用于向单片机发送指令；

所述使用方法包括以下步骤：

将测量支杆(1)放置在测量点，打开第一激光发射器(21)，调整第一转动机构(51)使第一发射器的光斑对准目标位置；

移动滑块(12)，将滑块(12)固定于初始测量点，调整第二转动机构(52)使第二发射器的光斑对准第一发射器的光斑，同时通过键盘控制单片机获取当前双轴倾角传感器(23)获取的角度的电信号作为初始角度；向初始测量点的一方向移动滑块(12)至A测量点，调整第二转动机构(52)使第二发射器的光斑对准第一发射器的光斑，同时获取A测量点的角度；向初始测量点的另一方向移动滑块(12)至B测量点，使B测量点到初始测量点的距离与A测量点到初始测量点的距离相等，同时调整第二转动机构(52)使第二发射器的光斑对准第一发射器的光斑，并获取B测量点的角度；

通过键盘控制单片机进行计算，输出初始测量点与目标位置之间的位置关系至显示装置(4)显示；所述位置关系包括与目标位置的两点距离、高度距离和水平距离；

其中，所述单片机进行计算的过程具体为：

单片机中预先建立有测距仪的数学模型，所述双轴倾角传感器(23)的两个测量轴OX0和OY0设定为相互垂直，基于双轴倾角传感器(23)的旋转轴与水平面的夹角β、旋转轴在水平面上的投影与旋转轴之间的夹角γ以及旋转轴在水平面上的投影与测量轴OY0之间的夹角α确定双轴倾角传感器(23)的旋转模型；并基于双轴倾角传感器(23)的旋转模型建立双轴倾角传感器的输出信号和旋转角度之间的数学模型；具体为：

双轴倾角传感器(23)的旋转轴L和水平面夹角为β，其投影为y轴，两个测量轴OX0和OY0构成测量平面M0，旋转轴L在平面上的投影为OP，设OP和ov之间夹角为γ，其中ov为旋转轴L，OP和OY0 夹角为α；法向量设为OZ0，并以该法向量在yoz平面内为初始零位；由于OZ0是平面的法向量，且在yoz平面内，垂直于ox轴，那么ox在平面内，由于测量轴OX0和OY0是垂直的，所以OX0和ox之间的夹角也是α；这样，由α、β、γ可唯一确定双轴倾角传感器的旋转模型；

初始值为：

X₀＝[cosα，sinαcosγ，sinαsinγ]，Y₀＝[-sinα，cosαcosγ，cosαsinγ]

当逆时针旋转，绕v轴旋转则旋转矩阵为：

绕旋转轴转θ角后，X₀·R_v(θ)与Y₀·R_v(θ)得：

X＝[cosαcosθ+sinαsinγsinθ，sinαcosγ，-cosαsinθ+sinαsinγcosθ]

Y＝[-sinαcosθ+cosαsinγsinθ，cosαcosγ，sinαsinθ+cosαsinγcosθ]

与Z轴[0，sinβ，cosβ]夹角即为输出：

U_X＝cos(X，Z)＝sinαcosγsinβ-cosαcosβsinθ+sinαsinγcosβcosθ

U_Y＝cos(Y，Z)＝cosαcosγsinβ-sinαcosβsinθ+cosαsinγcosβcosθ

由此，建立了双轴倾角传感器的输出信号和旋转角度之间的数学模型，其中α、β、γ就是倾角传感器空间安装的位置参数；

U_X，U_Y进行二维旋转，即：

当sinγcosβ≠0时有：

将UX，UY坐标系下的斜椭圆逆时针旋转α角后变为UX’，UY’坐标系下的圆心为(0，cosγ·sinβ)的标准椭圆；因此：

假设：

于是有：

由求根公式得：

由旋转变换可知：

U′_Y＝U_Xsinα+U_Ycosα

所以：

当

时，取

当

时，取

U′_X、U′_Y坐标系椭圆圆心坐标为(0，cosγ·sinβ)，

因为

且cos²γ≤1

所以

先确定α、β、γ角度范围，0°＜α＜90°，0°＜γ＜90°，-180°＜β＜0°；做直线

平行于U′_X轴，交U′_Y轴于C点；

在U′_X、U′_Y坐标系下，只要椭圆最低点在

之上，则恒有

当-90°＜β＜0°时，

β＜arctan(-cotγ)；

故有：β＜-90°+γ；

当-180°＜β＜-90°时，

β＞arctan(-cotγ)；

故有：β>-90°-γ；

因此-90°-γ＜β＜-90°+γ时，(1)式取正号，即：

设备安装好后，α、γ不变，保持旋转轴与水平面角度不变；

取三组(U_X，U_Y)，由式(2)求出(α，β，γ)；

改变角度β，求出多组α、γ后进行平均，求出α、γ值；

当α、γ确定后，由式(2)求出β值；

由U′_X二维旋转变换知，

U′_X＝U_X·cosα-U_Y·sinα＝-cosβ·sinθ(3)

求出θ；转动旋转轴即可得Δθ；

把双轴倾角传感器23放置在测量支杆1上，固定α、γ角，通过测量变化的β角进行测量；

基于所述双轴倾角传感器的输出信号和旋转角度之间的数学模型建立测量模型，以初始角度为θ1，A测量点的角度为θ2，B测量点的角度为θ3，令Δθ1＝θ2-θ1，Δθ2＝θ1-θ3；

则与目标位置的两点距离d为：

与目标位置的高度距离h为：

h＝d·sinx.

其中，x为激光与水平面的夹角，sinx＝-cosβ·cos(|θ-θ₀|)；

其中，θ₀为旋转轴的初始角度，|θ-θ₀|为转动旋转轴产生的变化角；

与目标位置的水平距离D_水平为：

2.根据权利要求1所述的一种变角度测距仪的使用方法，所述第一转动机构(51)和第二转动机构(52)为双轴转动机构。

3.根据权利要求1所述的一种变角度测距仪的使用方法，所述测量支杆(1)的杆身上等距间隔开设有复数个定位孔(13)；所述滑块(12)通过定位螺栓和定位孔(13)的配合固定于所述测量支杆(1)杆身上的不同位置。

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