CN114279450B - 一种激光定位导航系统及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光定位导航系统及其定位方法，包括接收器和发射器，接收器包括接收器支架和感光元件阵列，感光元件阵列固定在接收器支架上，接收器支架上固定有A数据处理控制器和A数据传输模块，A数据处理控制器和感光元件阵列连接；发射器包括底座、转台和平台支架，转台与底座的顶部转动连接，转台的顶部设有平台支架，平台支架的两端分别固定有A激光发射器或B激光发射器，B激光发射器通过激光角度调节器安装在平台支架上，平台支架上还固定有摄像头，转台上固定有B数据处理控制器和B数据传输模块，B数据传输模块和B数据处理控制器连接。本发明能够通过定向激光测得接收器相对于发送器的位置关系，实现精确定位功能。

Description

一种激光定位导航系统及其定位方法

技术领域

本发明涉及激光定位技术领域，尤其是涉及一种激光定位导航系统及其定位方法。

背景技术

在建筑工程室内施工过程中，室内的墙面抹灰、管件安装的自动化设备依旧靠手工测量，进而墙面抹灰厚度、管件安装长度等施工无法实现自动化。导致BIM模型与最终施工脱节，无法进行准确的材料预制与精确的成本预算，使BIM技术的实用性大大降低。因此，能实现自动化施工设备与BIM模型、实际工程坐标连接的“锚点”定位导航技术至关重要。

目前室内定位主要采用蓝牙、WIFI、射频、超声波、激光、视觉系统和磁场系统等技术。如今应用较广，精度较高的是激光雷达（LiDAR）技术虽然已较为成熟，但对于墙面抹灰等有高平整度要求（±2mm）的设备，毫米级精度仍然不能满足使用要求，此外该技术受光线环境影响大，测距置信度波动大；坐标数据融合精度降低等缺点，在大部分建筑自动化设备中实用度不高。

激光跟踪仪是一种高精度尺寸测量设备，采用激光干涉测距，光电探测等技术。激光跟踪仪通过主机发出激光，照射在目标点的反射器上，返回到主机接收，通过激光测距机构与测角机构，形成一个完整的球坐标测量系统，可以测量静止目标，跟踪测量移动目标。但是激光跟踪仪通过测量与目标点的距离，进而计算空间坐标的方式，容易受到施工现场灰尘等空气质量影响，同时整机购买使用成本非常昂贵。因此，有必要设计一种激光定位导航系统，来解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光定位导航系统及其定位方法，能够通过定向激光测得接收器相对于发送器的位置关系，实现精确定位功能。具有磨损小，受环境影响小，高精度，低成本，发射器布置灵活的优点。

根据本发明的一个目的，本发明提供一种激光定位导航系统，包括接收器、发射器、A数据处理控制器和A数据传输模块，所述接收器包括接收器支架和感光元件阵列，所述感光元件阵列固定在所述接收器支架上，所述A数据处理控制器和所述感光元件阵列连接，所述A数据传输模块和所述A数据处理控制器连接；

所述发射器包括底座、转台和平台支架，所述转台与所述底座的顶部转动连接，所述转台的顶部设有所述平台支架，所述平台支架的两端分别固定有A激光发射器或B激光发射器，所述B激光发射器通过激光角度调节器安装在所述平台支架上，所述平台支架上还固定有摄像头，所述转台上固定有B数据处理控制器和B数据传输模块，所述B数据传输模块和所述B数据处理控制器连接。

进一步地，所述感光元件阵列包括多条感光单元等距摆放而成。

进一步地，所述感光元件阵列可探测不同波长、频率或功率的激光，并能产生对应信号，所述信号被所述A数据处理控制器获取。

进一步地，所述底座上设有测绘定位点标志。

进一步地，所述转台内部设有旋转驱动装置，所述旋转驱动装置与所述平台支架的中心轴连接，所述平台支架可在所述旋转驱动装置的驱动下旋转，所述转台实时采集所述平台支架的转动位置并传送给所述B数据处理控制器。

进一步地，所述A激光发射器发射的激光面和所述B激光发射器发射的激光面均与所述平台支架的中心轴平行。

进一步地，所述激光角度调节器位于所述A激光发射器与所述平台支架的中心轴的延长线上，所述激光角度调节器的中心轴平行于所述平台支架的中心轴，所述激光角度调节器驱动所述B激光发射器以所述激光角度调节器的中心轴旋转，并实时采集所述B激光发射器位置并传送给所述B数据处理控制器。

根据本发明的另一个目的，本发明提供一种激光定位导航系统的定位方法，包括如下步骤：

步骤1，转台带动摄像头旋转，对周围环境进行扫描，通过视频识别算法确定接收器或安装接收器的设备的大致方位；

步骤2，A激光发射器发射激光面，转台调整角度使A激光发射器发射的激光面照射到接收器感光单元上；

步骤3，B激光发射器发射激光面，激光角度调节器带动B激光发射器与A激光发射器发射的激光面相交于第p条感光单元上（p≥2）；

步骤4，通过底座测绘定位点标志的坐标与方位、平台支架的长度、转台的旋转角度、激光角度调节器旋转角度、接收器感光单元接收的激光位置和接收器制作尺寸，解算出接收器坐标与方位。

进一步地，进行动态跟踪时：还包括：

步骤5，当A激光发射器发射的激光面即将离开接收器感光单元时，则转台沿激光面离开感光单元的方向的反方向步进一个角度，使激光面落于第p条感光单元前进方向的端部附近（p≥2）；

步骤6，B激光发射器通过扫描方式，与A激光发射器发射的激光面相交于第p条感光单元上（p≥2）；

步骤7：重复步骤4的解算过程，实现动态跟随定位。

进一步地，还可进行三维空间坐标测量：

将A激光发射器和B激光发射器组成的发射器，以及接收器在水平方向和竖直方向各配置一套，通过计算可获得接收器三维空间坐标。

本发明的技术方案通过平台支架的两端固定的A激光发射器和B激光发射器发射的激光面，通过对转台旋转角度，激光角度调节器旋转角度，接收器感光单元接收的激光位置和接收器制作尺寸，测得接收器相对于发送器的位置关系，实现精确定位导航功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例发射器的结构示意图；

图2为本发明实施例接收器的结构示意图；

图3为本发明实施例接收器的另一结构示意图；

图4为本发明实施例的旋转驱动装置的结构示意图；

图5为本发明实施例的使用状态示意图；

图6为本发明实施例的使用时的计算简图；

图中，1、接收器；2、发射器；3、接收器支架；4、感光元件阵列；5、A数据处理控制器；6、A数据传输模块；7、感光单元；8、感光元件；9、底座；10、转台；11、平台支架；12、A激光发射器；13、B激光发射器；14、激光角度调节器；15、摄像头；16、B数据处理控制器；17、B数据传输模块、18-电机轴。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1、图2、图3和图4所示：

一种激光定位导航系统，由接收器1与发射器2组成，其中，接收器1由接收器支架3、感光元件阵列4、A数据处理控制器5和A数据传输模块6组成，感光元件阵列4固定在接收器支架3上，感光元件阵列4采用多条感光单元7等距摆放形成感光面。

m（m≥1）个感光元件8排列成长条状感光单元7，n（n>2）条感光单元7等距摆放形成感光面，该感光面即感光元件阵列4，感光元件阵列4固定在接收器支架3上。A数据处理控制器5与A数据传输模块6固定于接收器支架3上。

A数据处理控制器5和A数据传输模块6分别固定在接收器支架3上，A数据处理控制器5与感光单元7连接，用于接收感光单元7的信号。

本实施例中，感光单元可采用光敏电子元件，例如，特殊的光敏电阻，线性CCD传感器，或者采用相机感光元件。数据处理控制器通过AD采集芯片或者DSP芯片等，采集处理光敏电子元件的信号。可以理解的是上述感光单元和控制器的采用不仅局限于上述产品，还可以是能够实现上述功能的其他部件或产品。

A数据传输模块6与A数据处理控制器5连接，用于与发射器2进行数据传输。A数据传输模块6与B数据传输模块17连接，可以采用无线连接，例如WIFI，蓝牙，也可以采用有线连接，信号线，光纤等方式进行数据交换。在A数据传输模块6与发射器2之间实现数据传输。

感光元件8能够探测不同特征（波长、频率、功率等）的激光，产生对应信号，被A数据处理控制器5获取，A数据处理控制器5通过感光元件8的信号与位置关系计算不同激光入射角，通过A数据传输模块6与发射器2交换相关数据。

发射器2由底座9、转台10、平台支架11、A激光发射器12、B激光发射器13、激光角度调节器14、摄像头15、B数据处理控制器16和B数据传输模块17构成。

底座9上设有测绘定位点标志，测绘定位点标志具体可以采用在底座上设置十字标或定位点等用于定位的标志。测绘定位点标志实际上就是一个标记，首先测量确定定位点标志的空间位置坐标，就可以进一步换算获得设备上任意一点的空间位置坐标。

转台10与底座9的顶部转动连接，转台10的顶部固定有平台支架11，底座9内部设有旋转驱动装置，旋转驱动装置与转台10的中心轴连接，平台支架11可在旋转驱动装置的驱动下旋转。

本实施例中旋转驱动装置具体可以采用如图4所示，旋转驱动装置内设有电机和角度传感器，通过电机的输出轴18驱动转台转动，通过角度传感器获取转台的转动角度。同样的，激光角度调节器14也是采用电机和角度传感器的设置，实现相同的控制效果。

A激光发射器12或B激光发射器13分别固定在平台支架11的两端，且B激光发射器13通过激光角度调节器14安装在平台支架11上。平台支架11上还固定有摄像头15，B数据处理控制器16和B数据传输模块17固定在转台10上。旋转驱动装置能够驱动平台支架11沿着中心轴转动，并且能够实时采集平台支架11转动位置传送给B数据处理控制器16。

底座9用于支撑整个发射器，底座9上有测绘定位点标志，通过经纬仪、全站仪等测量测绘手段工具可确定测绘定位点标志在整个施工现场的位置，从而定位发射器位置。底座9底端连接在安装平台上，底座9的顶端转动连接有转台10。

本实施例的平台支架11为长方形结构，可以理解的是平台支架11不限于长方形结构，只要以旋转驱动装置为对称中心的形状均可作为平台支架的结构。

A激光发射器12安装在平台支架11的一端，A激光发射器12的激光面平行于平台支架11的中心轴。

本实施例中，接收器1所有感光单元7的中心点所在的平面与发射器2上转台底部所在平面夹角在1~180°之间。

激光角度调节器14安装在平台支架11的另一端，位于A激光发射器12与台支架11的中心轴的延长线上。激光角度调节器14的中心轴平行于平台支架11的中心轴。激光角度调节器14上安装B激光发射器13，B激光发射器13发射的激光面平行于平台支架11的中心轴。

激光角度调节器14驱动B激光发射器13以激光角度调节器14的中心轴旋转，并且能够实时采集B激光发射器13的位置传送给B数据处理控制器16。通过激光角度调节器14内部的角度传感器获得B激光发射器13的位置信息，并通过采用无线连接，例如WIFI，蓝牙，或也可以采用有线连接，如信号线，光纤等方式进行数据交换，实现激光角度调节器14将采集B激光发射器13的位置传送给B数据处理控制器16。

本发明激光定位系统能够实现设备高精度静态、动态定位，确定发射器空间位置后，通过坐标融合可获得接收器精确空间位置。

上述一种激光定位导航系统的定位方法，包括如下步骤：

如图5和图6所示，静态测量时：

步骤1，转台10带动摄像头15旋转，对周围环境进行扫描，通过视频识别算法确定接收器1或安装接收器1的设备的大致方位；

步骤2，A激光发射器12发射激光面，转台10调整角度使A激光发射器12发射的激光面照射到接收器1的感光单元7上；

步骤3，B激光发射器13发射激光面，激光角度调节器14带动B激光发射器13与A激光发射器12发射的激光面相交于第p条感光单元7上（p≥2）；

步骤4，通过底座9测绘定位点标志的坐标与方位、平台支架11的长度、转台10的旋转角度、激光角度调节器14旋转角度、接收器1的感光单元7接收的激光位置和接收器1制作尺寸，解算出接收器1坐标与方位。

本实施例的上述计算步骤如下：

如图6所示，已知发射器的尺寸、转台旋转角度、激光调节器旋转角度，可以获得激光发射器A和激光发射器B之间距离d，激光发射器A的角度L和激光发射器B的角度K；

由于感光元件阵列4的制作尺寸已知，因此，可以确定第p条感光单元与第一条感光单元之间的间距D，通过获得两条激光交点位置，计算出两条激光与第一条感光阵列所在直线的夹角H和G两激光在第一条感光阵列上的距离F。

可以通过两三角形相似，获得发射器与两激光交点的距离数据；通过已知定位点坐标，可计算得到接收器任意位置的空间坐标。

本发明还可以进行动态跟踪，进行动态跟踪时：

还包括步骤5，当A激光发射器12发射的激光面即将离开接收器1的感光单元7时，则转台10沿激光面离开感光单元的方向的反方向步进一个角度，使激光面落于第p条感光单元前进方向的端部（p≥2）；

步骤6，B激光发射器13通过扫描方式，与A激光发射器12发射的激光面相交于第p条感光单元上（p≥2）；

步骤7，重复步骤4的解算过程，实现动态跟随。

本发明还可以进行三维空间坐标测量：

将上述A激光发射器12和B激光发射器13等组成的发射器2以及，接收器1在水平方向和竖直方向各配置一套，通过计算可获得接收器三维空间坐标。

本发明通过距离测量改变为角度测量，提高了测量稳定性；通过视频识别算法、动态步进跟踪的方式，减少了设备运动，降低惯性影响，减少了摩擦，提升了测量稳定性，延长了设备使用寿命。感光单元之间距离可达微米级，通过算法提取激光面中心线，可获得超分辨率精度，大大提升了测量精度。接收器与发射器小型化，易安装部署；设备综合成本低。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种激光定位导航系统，其特征在于，包括接收器、发射器、A数据处理控制器和A数据传输模块，所述接收器包括接收器支架和感光元件阵列，所述感光元件阵列固定在所述接收器支架上，所述A数据处理控制器和所述感光元件阵列连接，所述A数据传输模块和所述A数据处理控制器连接；

所述发射器包括底座、转台和平台支架，所述转台与所述底座的顶部转动连接，所述转台的顶部设有所述平台支架，所述平台支架的一端固定有A激光发射器，所述平台支架的另一端固定有B激光发射器，所述B激光发射器通过激光角度调节器安装在所述平台支架上，所述平台支架上还固定有摄像头，所述转台上固定有B数据处理控制器和B数据传输模块，所述B数据传输模块和所述B数据处理控制器连接，所述B数据传输模块与所述A数据传输模块连接；

所述转台内部设有旋转驱动装置，所述旋转驱动装置与所述平台支架的中心轴连接，所述平台支架可在所述旋转驱动装置的驱动下旋转，所述转台实时采集所述平台支架的转动位置并传送给所述B数据处理控制器；所述A激光发射器发射的激光面和所述B激光发射器发射的激光面均与所述平台支架的中心轴平行；所述激光角度调节器位于所述A激光发射器与所述平台支架的中心轴的延长线上，所述激光角度调节器的中心轴平行于所述平台支架的中心轴，所述激光角度调节器驱动所述B激光发射器以所述激光角度调节器的中心轴旋转，并实时采集所述B激光发射器的位置并传送给所述B数据处理控制器。

2.根据权利要求1所述激光定位导航系统，其特征在于，所述感光元件阵列包括多条感光单元等距摆放而成。

3.根据权利要求2所述激光定位导航系统，其特征在于，所述感光元件阵列可探测不同波长、频率或功率的激光，并能产生对应信号，所述信号被所述A数据处理控制器获取。

4.根据权利要求2所述激光定位导航系统，其特征在于，所述底座上设有测绘定位点标志。

5.一种激光定位导航系统的定位方法，其特征在于，基于权利要求1-4中任意一种所述的激光定位导航系统，包括如下步骤：

步骤1，转台带动摄像头旋转，对周围环境进行扫描，通过视频识别算法确定接收器的方位；

步骤2，A激光发射器发射激光面，转台调整角度使A激光发射器发射的激光面照射到接收器的感光单元上；

步骤3，B激光发射器发射激光面，激光角度调节器带动B激光发射器与A激光发射器发射的激光面相交于第p条感光单元上，p≥2；

步骤4，通过底座上的测绘定位点标志的坐标与方位、平台支架的长度、转台的旋转角度、激光角度调节器的旋转角度、接收器感光单元接收的激光位置和接收器制作尺寸，解算出接收器坐标与方位。

6.根据权利要求5所述的激光定位导航系统的定位方法，其特征在于，还包括：

步骤5，当A激光发射器发射的激光面即将离开接收器的感光单元时，则转台沿激光面离开感光单元的方向的反方向步进一个角度，使激光面落于第p条感光单元前进方向的端部，p≥2；

步骤6，B激光发射器通过扫描方式，与A激光发射器发射的激光面相交于第p条感光单元上，p≥2；

步骤7：重复步骤4的解算过程，实现动态跟随定位。

7.根据权利要求5所述的激光定位导航系统的定位方法，其特征在于，还进行三维空间坐标测量：

将A激光发射器和B激光发射器组成的发射器以及接收器在水平方向和竖直方向各配置一套，通过计算可获得接收器三维空间坐标。