专利名称：基于无线传感网络引导的超大几何参量测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及超大几何参量的测量系统，具体地说是一种基于无线传感网络引导的超大几何参量测量系统。
背景技术：
随着制造业的不断发展，产品的尺寸已经达到几十甚至数百米。这就意味测量范围也随之扩大，对超大几何参量的测量也提出了现实要求。超大几何参量的测量可以通过测量一些特征点的空间坐标，即对特征点进行定位间接实现。近些年，超大几何参量测量技术得到了学术界的广泛关注，相关的研究成果也陆续被公开。到目前为止，应用于超大几何参量测量的技术已多达近十种。它们在拥有各自优势的同时，也存在一些不足之处或测量范围受限，如三坐标测量机CMM等；或测量效率低，自动化程度不高，如经纬仪测量系统等； 或系统复杂，价格昂贵，如室内GPS等。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种测量范围不受限制、 可实现自动化测量的基于无线传感网络引导的超大几何参量测量系统。本发明为解决技术问题采用如下技术方案本发明基于无线传感网络引导的超大几何参量测量系统的特点是由测量基站、标记站和上位机构成；所述测量基站由无线传感网络的信标节点和安装在二维旋转台C上的激光绝对距离测量系统组成，其中激光绝对距离测量系统中激光器的激光发射点被设定为绝对零位；所述信标节点由电源模块C、控制模块C、串口模块和无线电磁波收发模块C构成，其中控制模块C通过串口模块与上位机进行通信并控制无线电磁波收发模块C的收发，无线电磁波收发模块C的收发端点被设定为信标节点电磁波收发点，且信标节点电磁波收发点和绝对零位的空间位置关系已知；在被测对象上设定特征点，各测量基站以其整体测量范围覆盖被测对象所有特征点为准布置在测量现场，各测量基站的高度高于被测对象，并对所有测量基站分别标记为Cl，C2，…，Cn，其中η为所有测量基站的数目；所述标记站由无线传感网络的目标节点和安装在二维旋转台B上的直角靶镜组成，其中直角靶镜的顶点与被测对象上特征点的空间位置关系确定；所述目标节点由电源模块B、控制模块B、无线数据收发模块、无线电磁波收发模块B和计时模块构成，其中控制模块B通过无线数据收发模块与上位机进行通信并控制无线电磁波收发模块B的收发以及计时模块的开启和结束，无线电磁波收发模块B的收发端点被设定为目标节点电磁波收发点，且目标节点电磁波收发点和直角靶镜的直角靶镜顶点的空间位置关系为已知；被测对象上各特征点位置一一对应布置各标记站，所有标记站分别标记为Bi、Β2、…、to，其中m 为所有标记站的数目；测量过程首先对测量基站进行空间位置标定，再利用无线传感网络的引导作用使所述激光绝对距离测量系统瞄准标记站中的直角靶镜，继而上位机通过控制二维旋转台 B使标记站中的直角靶镜对准激光绝对距离测量系统，最后由激光绝对距离测量系统获得各标记站中直角靶镜顶点到各测量基站中激光绝对距离测量系统的绝对零位的距离，再由上位机给出测量结果。本发明基于无线传感网络引导的超大几何参量测量系统的特点也在于所述无线传感网络的引导作用是采用脉冲时间间隔距离差法先逐个确定各目标节点电磁波收发点的空间坐标，再由上位机计算出激光绝对距离测量系统瞄准直角靶镜所需转动的垂直方向角度和水平方向角度，继而通过控制二维旋转台C使激光绝对距离测量系统瞄准标记站中的直角靶镜。所述脉冲时间间隔距离差法是利用上位机通过串口模块分别向各信标节点发送命令，控制所有信标节点以大于脉冲宽度的时间间隔逐个向目标节点发射单脉冲，由目标节点中的计时模块测得各相邻单脉冲到达本目标节点的时间差，再由无线数据收发模块将所有时间差数据传输至上位机，在上位机中按照式解算出目标节点中目标节点电磁波收发点的空间坐标(At(i+1)i-AT(i+1)i) · ν = Clw-Cli (10)其中At(i+1)J为第i个与第i+Ι个信标节点所发射的单脉冲到达目标节点的时间差；ΔΤα+1) 为第i个与第i+Ι个信标节点发射单脉冲的时间间隔，AT(i+m大于脉冲宽度；ν为电磁波传播速率，ν为一常数。，Cli为第i个信标节点电磁波收发点到目标节点电磁波收发点的距离；Cli = ^xi - χ)2 +(力- γ)2 + (Ζ/ - ζ)2(⑴式(11)中，i = 1，2，…，n-1 ;n为信标节点的个数，且η > 4 ；(xi7 Yi, Zi)为第i个信标节点的电磁波收发点的空间坐标；(x, y，ζ)为目标节点电磁波收发点的空间坐标。与已有技术相比，本发明的有益效果体现在1、本发明系统由测量基站、标记站和上位机构成，由于测量基站的数目可以根据被测对象的尺寸来确定，因此测量系统的测量范围不受限制；2、本发明系统在测量过程中由无线传感网络引导激光绝对距离测量系统完成最终测量，因此本发明可实现自动化测量，且具有较高的性价比。
图1为本发明整个系统框架示意图；图2为测量基站结构示意图；图3为标记站结构示意图；图4为信标节点框架示意图；图5为目标节点框架示意图；图6为系统测量过程流程图。
具体实施例方式本实施例中的基于无线传感网络引导的超大几何参量测量系统是由测量基站1、 标记站2和上位机3构成，其测量过程是先对测量基站1进行标定，再利用无线传感网络的引导作用使激光绝对距离测量系统8瞄准标记站2中的直角靶镜13，最后由激光绝对距离测量系统8完成最终测量；如图2所示，测量基站1是由无线传感网络的信标节点5和安装在二维旋转台C9 上的激光绝对距离测量系统8组成；如图4所示，信标节点5由电源模块C、FPGA控制模块、 串口模块和无线电磁波收发模块C构成；绝对零位7与信标节点电磁波收发点6的位置关系已知；各测量基站1以其整体测量范围覆盖被测对象4所有特征点为准布置在测量现场， 各测量基站1的高度高于被测对象4，并对所有测量基站1分别标以Cl、C2、…、Cn，其中 η为所有测量基站1的数目；如图1所示，本具体实施例是将六个测量基站1布置在测量现场，并对六个测量基站分别标以Cl、C2、…、C6 ；如图3所示，标记站2由无线传感网络的目标节点10和安装在二维旋转台14上的直角靶镜13组成；如图5所示，目标节点10由电源模块B、FPGA控制模块B、无线数据收发模块、无线电磁波收发模块B和计时模块构成；直角靶镜13的直角靶镜顶点12与目标节点电磁波收发点11的位置关系已知；各标记站2的放置位置与被测对象4上所有特征点一一对应，各标记站2分别标以Bi、B2、…、to，其中m为所有标记站2的数目；如图1所示，本实施例是在被测对象4上放置了五个标记站2，并对五个标记站2分别标以B1、B2、…、B5 上位机3是测量软件的载体，负责控制命令的发送和数据采集处理；图6为系统的测量过程流程图，本实施例以测量基站Cl和标记站Bl为例，来具体阐述这一测量过程如下1、对测量基站1进行标定通过标定实验确定各测量基站1中激光绝对距离测量系统8的绝对零位7的空间坐标和信标节点电磁波收发点6空间坐标；标定实验是预先在测量现场布置k(k>!3)个相对位置关系已知的标记站2，再通过人工控制二维旋转台14使各测量基站1中的激光绝对距离测量系统8与不同位置的标记站2中直角靶镜13依次对准，从而获得激光绝对距离测量系统8的绝对零位7与不同位置的标记站2中直角靶镜13 的直角靶镜顶点12之间的距离信息(Xi - Qj)2 + {yt - bj)2 + (ζ. - Cj)2 = dfj (20)式(20)中(xi7 Yi, Zi)为第i个测量基站中激光绝对距离测量系统的绝对零位的空间坐标，i =1,2,…，η ;n为测量基站的个数；(aj; bj; Cj) = ( , bi; Cl) + (j，0，0)为第j个位置标记站中直角靶镜13的直角靶镜顶点12的空间坐标，j = 1,2,…，k ；k为所有相对位置关系已知的标记站2的个数；Clij为第i个测量基站中激光绝对距离测量系统的绝对零位与第j个位置标记站中直角靶镜顶点12之间的距离；(i = 1，2，…，n;j = l，2，...，m)以此计算出所有测量基站中激光绝对距离测量系统的绝对零位的空间坐标，最后根据绝对零位与信标节点电磁波收发点的位置关系解算出信标节点电磁波收发点 > 空间坐标；2、无线传感网络的引导作用无线传感网络利用脉冲时间间隔距离差法确定标记站Bl中的目标节点电磁波收发点11到各测量基站中信标节点电磁波收发点6之间距离， 再由上位机3根据式04)计算获得标记站Bl中目标节点电磁波收发点11的空间坐标，进而由直角靶镜顶点12与目标节点电磁波收发点11的位置关系确定标记站Bl中直角靶镜
顶点12的粗略空间坐标
权利要求
1.一种基于无线传感网络引导的超大几何参量测量系统，其特征是由测量基站(1)、 标记站(2)和上位机(3)构成；所述测量基站(1)由无线传感网络的信标节点( 和安装在二维旋转台C(9)上的激光绝对距离测量系统(8)组成，其中激光绝对距离测量系统(8)中激光器的激光发射点被设定为绝对零位(7)；所述信标节点(5)由电源模块C、控制模块C、串口模块和无线电磁波收发模块C构成，其中控制模块C通过串口模块与上位机C3)进行通信并控制无线电磁波收发模块C的收发，无线电磁波收发模块C的收发端点被设定为信标节点电磁波收发点 (6)，且信标节点电磁波收发点(6)和绝对零位(7)的空间位置关系已知；在被测对象(4) 上设定特征点，各测量基站(1)以其整体测量范围覆盖被测对象(4)所有特征点为准布置在测量现场，各测量基站(1)的高度高于被测对象G)，并对所有测量基站(1)分别标记为 C1，C2，…，Cn，其中η为所有测量基站(1)的数目；所述标记站O)由无线传感网络的目标节点(10)和安装在二维旋转台Β(14)上的直角靶镜(13)组成，其中直角靶镜(13)的顶点(12)与被测对象(4)上特征点的空间位置关系确定；所述目标节点(10)由电源模块B、控制模块B、无线数据收发模块、无线电磁波收发模块B和计时模块构成，其中控制模块B通过无线数据收发模块与上位机C3)进行通信并控制无线电磁波收发模块B的收发以及计时模块的开启和结束，无线电磁波收发模块B的收发端点被设定为目标节点电磁波收发点，且目标节点电磁波收发点和直角靶镜(13)的直角靶镜顶点(12)的空间位置关系为已知；被测对象(4)上各特征点位置一一对应布置各标记站(2)，所有标记站(2)分别标记为Β1、Β2、…、to，其中m为所有标记站(2)的数目；测量过程首先对测量基站(1)进行空间位置标定，再利用无线传感网络的引导作用使所述激光绝对距离测量系统⑶瞄准标记站O)中的直角靶镜(13)，继而上位机(3)通过控制二维旋转台B(14)使标记站O)中的直角靶镜(1 对准激光绝对距离测量系统 (8)，最后由激光绝对距离测量系统⑶获得各标记站(2)中直角靶镜顶点(12)到各测量基站中激光绝对距离测量系统(8)的绝对零位(7)的距离，再由上位机(3)给出测量结果。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感网络引导的超大几何参量测量系统，其特征在于，所述无线传感网络的引导作用是采用脉冲时间间隔距离差法先逐个确定各目标节点电磁波收发点(11)的空间坐标，再由上位机(3)计算出激光绝对距离测量系统(8)瞄准直角靶镜(1 所需转动的垂直方向角度和水平方向角度，继而通过控制二维旋转台C(9)使激光绝对距离测量系统(8)瞄准标记站O)中的直角靶镜(13)。
3.根据权利要求2所述的基于无线传感网络引导的超大几何参量测量系统，其特征在于，所述脉冲时间间隔距离差法是利用上位机C3)通过串口模块分别向各信标节点(5)发送命令，控制所有信标节点(5)以大于脉冲宽度的时间间隔逐个向目标节点(10)发射单脉冲，由目标节点(10)中的计时模块测得各相邻单脉冲到达本目标节点(10)的时间差，再由无线数据收发模块将所有时间差数据传输至上位机(3)，在上位机(3)中按照式(10)解算出目标节点(10)中目标节点电磁波收发点(11)的空间坐标(At(i+1)i-AT(i+1)i) · ν = Clitl-Cli (10)其中At(i+1)i为第i个与第i+Ι个信标节点所发射的单脉冲到达目标节点的时间差；ΔΤα+1) 为第i个与第i+Ι个信标节点发射单脉冲的时间间隔，ΔΤα+1) 大于脉冲宽度；ν为电磁波传播速率，ν为一常数。，Cli为第i个信标节点电磁波收发点(6)到目标节点电磁波收发点(11)的距离；di = V(x/ -χ)2 +(力 ~y)2 -z)2(n)式(11)中，i = 1,2,…，n-1 ;11为信标节点的个数，且11>4; (xi; Ii, Zi)为第i个信标节点的电磁波收发点的空间坐标； (χ，y，ζ)为目标节点电磁波收发点的空间坐标。
全文摘要
本发明公开了一种基于无线传感网络引导的超大几何参量测量系统，其特征是由测量基站、标记站和上位机构成；测量过程是首先对测量基站进行空间位置标定，再利用无线传感网络的引导作用使测量基站中的激光绝对距离测量系统瞄准标记站中的直角靶镜，继而由上位机通过控制标记站中的二维旋转台使标记站中的直角靶镜对准激光绝对距离测量系统，最后由激光绝对距离测量系统获得各标记站中直角靶镜顶点的空间坐标，由上位机给出测量结果，本发明测量范围不受限制、可实现自动化测量。
文档编号G01S13/08GK102269583SQ20111011481
公开日2011年12月7日 申请日期2011年5月5日 优先权日2011年5月5日
发明者余晓芬, 胡佳文, 胡进忠 申请人:合肥工业大学