CN112269186B - 一种量程可调节的激光三角测距装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量程可调节的激光三角测距装置及方法，包括激光器、采集器、处理器以及旋转器；激光器向待测点发射激光，旋转器中心点在激光发射路径上的垂直投影点为测距起点，其与旋转器中心点的距离为L，旋转器带动采集器旋转，使待测点位于采集器的拍摄范围内，待测点和测距起点的夹角为θ；待测点与测距起点之间的距离为：L*tanθ。激光器、旋转器以及待测点形成一个直角三角形，利用已知一条直角边和一个夹角，可算得另一直角边的数学原理，将夹角θ转化为与旋转器有关的参数，可以快速获得待测点与测距起点的距离，与现有技术相比，增加了旋转器，使采集器瞄准方位可以调整，弥补了普通测距仪测距范围有限的局限，测距灵活性大大提高。

Description

一种量程可调节的激光三角测距装置及方法

技术领域

本发明属于激光测距领域，更具体地，涉及一种量程可调节的激光三角测距装置及方法。

背景技术

激光测距具有速度快、非接触测量、抗电磁等优点，可以应用在高精度尺寸距离测量和激光雷达中，获得高精度、高性价比的应用效果，从而成为各种工业测量、室内服务机器人、环境探测、无人驾驶汽车等各行各业的首选方案。

现有技术中，激光三角测距通常包括激光器、接收器和信号处理，主要利用三角形的相关数学原理，根据激光器与接收器之间组合成的三角形，通过三角函数计算，达到测距的功能。可以应用在钢铁厂和轧钢厂中的过程监控、料位料液的测量、行车定位和装卸定位、人力所不能达到部位的测量、车辆船舶的定位监控、起重安装设备的位置监控、不宜接近的物体测量、工业生产线中的传送定位测量、电梯运行测量、大型工件装配定位、运动物体的位置监控、大型货架的库存管理、超大物体的几何测量、靶距自动控制、电气化铁路接触网测量、铁路建筑物限界测量以及江河湖海等的水位测量等等。

然而，由于现有激光测距仪的接收器与激光器都是相对固定静止的状态，并且，接收器对激光的接收范围有限，因此，导致现有激光测距仪存在测量范围有限的局限性，从而影响了激光测距仪的应用灵活性和实用成本。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种量程可调节的激光三角测距装置及方法，其目的在于突破激光测距的范围有限的局限，显著提高测距范围，扩大激光测距应用领域。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种量程可调节的激光三角测距装置，包括激光器、采集器、处理器以及旋转器；

所述激光器向待测点发射激光，所述旋转器中心点在激光发射路径上的垂直投影点为测距起点，所述旋转器中心点与所述测距起点之间的距离为L，所述采集器位于所述旋转器上，所述旋转器带动所述采集器旋转，以使待测点位于所述采集器的拍摄范围内，所述待测点和所述测距起点之间相对于所述旋转器中心点的夹角为θ；

所述待测点与所述测距起点之间的距离为：L*tanθ。

通过上述技术方案，测距起点、旋转器中心点以及待测点之间形成一个直角三角形，利用直角三角形中已知一条直角边和一个夹角，就能获得另一条直角边长度的数学原理，将夹角θ转化为与旋转器旋转有关的参数，从而可以快速获得待测点与激光器之间的距离，与现有技术中的其他激光三角测距原理相比，本装置的采集器通过旋转，在激光的发射路径上就会具有更大的采集范围，从而提高了本装置的测距范围，从而可以使得本装置可以更好地应用在更多的领域中。

本发明的另一个方面，提供了一种量程可调节的激光三角测距方法，采用上述的激光三角测距装置，包括以下步骤：

S1，激光器发射激光至待测点；

S2，将旋转器进行旋转，使采集器从测距起点旋转至朝向待测点，处理器根据旋转器旋转角度得到采集器中心点与所述测距起点之间相对于所述旋转器中心点的夹角为θ1；

S3，采集器对待测点方向进行拍摄，处理器根据采集器上拍摄的待测点位置计算出待测点与采集器中心点之间相对于旋转器中心点的夹角θ2；

S4，采集器计算待测点与测距起点之间相对于旋转器中心点的夹角θ＝θ1±θ2；所述旋转器与所述测距起点之间的距离为L，所述待测点与所述测距起点之间的距离为：L*tanθ。

通过本方法，将旋转器旋转，使采集器朝向待测点时，旋转器的旋转角度可直接获得，然后进一步获得直角三角形中的夹角θ，方便快捷。并且，在本方法下，通过旋转器的旋转，可以实现不同位置、更大范围待测点的测量，也即是实现量程可调节的激光三角测距。

附图说明

图1是一种量程可调节的激光三角测距装置的结构示意图；

图2是一种量程可调节的激光三角测距装置的测量原理示意图。

图中，1、激光器；2、采集器；3、旋转器；4、处理器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提出一种量程可调节的激光三角测距装置，包括激光器1、采集器2、处理器4以及旋转器3。

激光器1向待测点发射一束激光，旋转器3中心点在激光发射路径上的垂直投影点为测距起点，旋转器3中心点和测距起点之间的距离为L，采集器2位于旋转器3上，旋转器3可带动采集器2从朝向测距起点的方向旋转至朝向待测点的方向，以使待测点位于所述采集器2的拍摄范围内，激光照射到待测点的物体上会发生反射，反射后的激光被采集器2采集后，成像在采集器2对应的位置处。待测点和所述测距起点之间相对于所述旋转器3中心点的夹角为θ。

具体地，待测点为Hx，测距起点为H0，旋转器3中心点为O，旋转器3带动采集器2旋转一定角度后，此时，采集器2在激光的发射路径上的采集范围为H1～H2，待测点Hx位于H1～H2范围内，则可以进行拍摄测量，此时，待测点Hx和旋转器3中心点O之间的连线与测距起点H0和旋转器3中心点O之间的连线夹角为θ，因此，待测点Hx与测距起点H0之间的距离为：L*tanθ。

具体地，激光器1为点激光器1，可以为固体激光器1、气体激光器1或光纤激光器1等等。

具体地，采集器2为线阵CCD，也可以为面阵CCD或其他类似的光学采集器2件。采集器2采集到的光线范围有限，由于采集器2旋转至朝向待测点后，在激光的发射路径上，采集器2两边缘点可采集到的范围对应为点H1、点H2，因此，采集器2此位置的采集范围为H1～H2，如待测点Hx不在H1～H2范围内，则继续旋转，直到待测点Hx位于采集器2的采集范围Hm～Hn范围内为止。采集器2旋转的位置不同，在激光发射路径上可以采集到的范围就会不同，并且，随着采集器2旋转的角度越来越大，可采集到的范围就越来越大，与现有技术中静止的采集器2相比，本装置大幅提升了测距的范围。

具体地，旋转器3可以为步进电机或者伺服电机等等。测距起点Hx则通过激光器1与旋转器3之间的相对安装位置，激光器1的大小、旋转器3的大小决定，也就是说与旋转器3的中心点O紧密相关，并且，采集器2上拍摄范围内的所有光线的均聚焦在旋转器3的中心点，所以待测点Hx、测距起点H0、旋转器3中心点O之间可以组成直角三角形，其中，测距起点的位置通过激光器1和旋转器3的设置成为已知位置点，例如可以将激光器1的发射点与旋转器3中心点设置在垂直于激光发射路径的垂线上，此时测距起点就为激光器1的发射点；又例如可以将激光器1的中心点与旋转器3中心点设置在垂直于激光发射路径的垂线上，此时测距起点就为激光器1的中心点，那么在算出待测点与测距起点之间的距离后再通过与激光器1的长度进行运算，就可得出待测点到激光器1任意位置之间的距离。并且采集器2在旋转器3上安装位置精细设计和调节，来实现采集器2上各位置采集的所有光聚焦在旋转器3的中心点。

更具体地，点H1、采集器2对应的边缘点A、旋转器3中心点O位于同一直线上，点H2、采集器2对应的另一边缘点B、旋转器3中心点O也位于同一直线上。

关于θ的获取，参照图2，在一些实施例中，采集器2中心点C和旋转器3中心点O之间的连线与测距起点H0和旋转器3中心点O之间的连线夹角为θ1。具体地，当旋转器3在初始状态时，采集器2的中心点C位于旋转器3中心点O与测距起点H0的连线上，也即是θ1＝0，当旋转器3带动采集器2旋转后，可以进行拍摄时，θ1≠0，且θ1就是旋转器3的旋转角度，可直接获取，无需计算。

在此基础上，再获取待测点Hx和旋转器3中心点O之间的连线与采集器2中心点C和旋转器3中心点O之间的连线夹角θ2，即可计算出θ。当待测点Hx位于采集器2边缘点A与中心点C之间时，θ＝θ1-θ2，当待测点Hx位于采集器2边缘点B与中心点C之间时，θ＝θ1+θ2。

θ2的计算为：待测点Hx反射的激光成像在采集器2上的X位置处，处理器4根据采集器2上成像的具体位置点与采集器2上的中心点C之间的关系来计算。更具体地，点X、点C与点O之间组成一个直角三角形，其中，边XC的长度可以根据拍摄到的图案获得，边OC的长度与旋转器3和采集器2的大小有关，也可获得，然后通过勾股定理、正弦定理以及余弦定理等数学公式即可算出此三角形中其他未知参数，包括算出θ2。

当然，θ也可以通过一些其他与CCD位置计算有关的算法或软件直接或间接计算获得，但不管通过何种方式获得θ的数值，在本申请中，都是基于测距起点、待测点和旋转器3的中心点(也就是CCD的旋转中心点)组成的直角三角形、在这个直角三角形中，通过两个已知的角和一个已知的边，就能算出另两条未知边的数学原理，因此，本申请通过旋转器3和采集器2的相关参数信息获取θ，也就获得两个已知的角，再通过控制旋转器3中心点与激光器1之间的距离，也就获得一个已知的边，从而实现待测点的距离测量。本申请的装置通过组成一个直角三角形，仅获取一个角度θ和一条边，即可测算出待测点的距离，且将采集器2设置为可旋转的，只需采集器2旋转至朝向待测点就能实现Hm～Hn范围之间的测量，相较于现有技术中采集器2静止并通过透镜汇聚，可测量的范围更大，因此，适用领域会更广。

本发明还提出一种量程可调节的激光三角测距方法，采用上述的激光三角测距装置进行，包括以下步骤：

S1，激光器1发射激光至待测点；

S2，将旋转器3进行旋转，使采集器2从测距起点旋转至朝向待测点，处理器4根据旋转器3旋转角度得到采集器2中心点与所述测距起点之间相对于所述旋转器3中心点的夹角为θ1；

S3，采集器2对待测点方向进行拍摄，处理器4根据采集器2上拍摄的待测点位置计算出待测点与采集器2中心点之间相对于旋转器3中心点的夹角θ2；

S4，采集器2计算待测点与测距起点之间相对于旋转器3中心点的夹角θ＝θ1±θ2；所述旋转器3与所述测距起点之间的距离为L，所述待测点与所述测距起点之间的距离为：L*tanθ。

具体地，当采集器2在激光器1的发射路径上可以采集到的两边缘点分别为H1、H2时，待测点需位于点H1、H2之间，其反射的激光才能被采集器2采集到。因此，根据待测点位置的不同，旋转器3的旋转角度也不同，从而可以实现量程可调节的测距。在S3中，如采集器2未能采集到的待测点反射的激光，则再次将旋转器3进行旋转、使采集器2拍摄，直到采集器2能采集到待测点反射的激光为止。

进一步，可以采用从小角度向大角度对旋转器3进行旋转，直到拍摄采集到的激光亮点出现在采集器2的中心附近，可以由操作人员手动设定，也可以通过自动搜索模式来进行，使得旋转器3能较准地带动采集器2朝向待测点，从而减少将旋转器3进行多次旋转调试的步骤。

在激光发射路径上位于点H1～点H2范围内的所有点反射的激光经过采集器2的采集后会聚焦在旋转器3的中心点，因此，在激光路径上可测距的范围更大，为了使采集器2可以采集的所有位置的光聚焦点与旋转器3的中心点重合，需要对采集器2、旋转器3的配合进行限定和调试，具体为：通过采集器2中心点采集待测点计算出来测距值与实际距离值进行对比，根据对比值调整采集器2安装位置，使得测距结果准确。

通过本方法进行激光三角测距，可以直接获取旋转器3的旋转角度，然后通过采集器2拍摄待测点反射的激光，从而获得待测点与激光器1之间相对于旋转器3中心点的夹角θ，也就能获得待测点与激光器1之间的距离，测量更加简单、精准。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种量程可调节的激光三角测距装置，其特征在于，包括激光器、采集器、处理器以及旋转器；

所述激光器向待测点发射激光，所述旋转器中心点在激光发射路径上的垂直投影点为测距起点，所述旋转器中心点与所述测距起点之间的距离为L，所述采集器位于所述旋转器上，所述旋转器带动所述采集器旋转，以使待测点位于所述采集器的拍摄范围内，所述待测点和所述测距起点之间相对于所述旋转器中心点的夹角为θ；

所述待测点与所述测距起点之间的距离为：L*tanθ；

所述采集器中心点与所述测距起点之间相对于所述旋转器中心点的夹角为θ1；

所述待测点和所述采集器中心点之间相对于所述旋转器中心点的夹角为θ2，所述处理器根据所述采集器上拍摄的所述待测点的位置与所述采集器上的中心点位置计算获得所述θ2；

所述θ＝θ1±θ2；

所述采集器为线阵或面阵光学采集器。

2.根据权利要求1所述的量程可调节的激光三角测距装置，其特征在于，所述激光器为点激光器。

3.根据权利要求1所述的量程可调节的激光三角测距装置，其特征在于，所述测距起点通过所述激光器与所述旋转器之间的安装相对位置、所述激光器的大小、所述旋转器的大小决定。

4.根据权利要求3所述的量程可调节的激光三角测距装置，其特征在于，所述采集器拍摄范围内的所有光线均聚焦在所述旋转器的中心点。

5.根据权利要求4所述的量程可调节的激光三角测距装置，其特征在于，所述采集器其中一个边缘点及其在激光发射路径上对应的拍摄点与所述旋转器的中心点位于一条直线上；所述采集器的另一个边缘点及其在激光发射路径上对应的拍摄点也与所述旋转器的中心点位于一条直线上。

6.一种量程可调节的激光三角测距方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一所述的量程可调节的激光三角测距装置，包括以下步骤：

S1，激光器发射激光至待测点；

S2，将旋转器进行旋转，使采集器从测距起点旋转至朝向待测点，处理器根据旋转器旋转角度得到采集器中心点与所述测距起点之间相对于所述旋转器中心点的夹角为θ1；

S3，采集器对待测点方向进行拍摄，处理器根据采集器上拍摄的待测点位置计算出待测点与采集器中心点之间相对于旋转器中心点的夹角θ2；

S4，采集器计算待测点与测距起点之间相对于旋转器中心点的夹角θ＝θ1±θ2；所述旋转器与所述测距起点之间的距离为L，所述待测点与所述测距起点之间的距离为：L*tanθ。

7.根据权利要求6所述的量程可调节的激光三角测距方法，其特征在于，S3中，如采集器未能拍摄到待测点，则再次将旋转器进行旋转、使采集器拍摄，直到采集器能拍摄到待测点为止。

8.根据权利要求7所述的量程可调节的激光三角测距方法，其特征在于，所述S2中旋转所述旋转器时，从小角度向大角度旋转，直到拍摄到的激光亮点出现在采集器中心附近为止。

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