平面激光定位测量装置及定位方法与流程

本发明属于平面测绘技术领域，具体涉及一种利用激光进行平面定位的装置以及利用该装置进行的定位方法。

背景技术：

目前，在对各种平面中的点进行定位时一般采用三点定位算法，需要已知三点的位置坐标，并需要测量未知点到三点的距离，然后分别以三个已知点为圆心并以已知点到未知点的距离为半径作三个圆，三个圆的交点就是测量点的坐标。然而，这是一个理想情况，实际由于测量精度的限制，实际上他们通常交不到一个点上，交出来的是一块面积区域。

现有技术中的激光测距仪是在工作时向目标射出一束或一序列短暂的脉冲激光束，由光电元件接收目标反射的激光速，测定激光束从发射到接收的时间，计算出从测距仪到目标的距离。由于需要对激光进行反射，就要求测距仪与目标垂直，并且需要避免发生漫反射。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种平面激光定位测量装置，解决现有技术中依赖激光反射来测量距离的技术问题，能够在用于定位时通过激光扫射的角度来测量距离，提高测量效率，提高测量精度。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种平面激光定位测量装置，包括定位模块与测量杆；所述定位模块包括激光发射头、电机、反射镜以及为激光发射头和电机供电的电源；所述激光发射头能够向反射镜的反射面发射出与电机轴线平行或共线的激光，所述反射镜安装在电机轴上，反射镜的反射面与电机轴的轴线呈45°角，使得反射镜反射的激光能够随着电机轴的转动进行水平扫射；所述测量杆包括单片机以及沿测量杆长度方向依次设置的共线的激光接收模块i、激光接收模块ii、激光接收模块iii；单片机内设有由激光信号驱动的脉冲计数器，单片机能够根据脉冲计数器的计数统计出激光从激光接收模块i开始扫射360°的计数n0、激光从激光接收模块i扫射到激光接收模块ii的计数n1以及激光从激光接收模块ii扫射到激光接收模块iii的计数n2。

优选的，所述脉冲计数器包括计数器j1、计数器j2以及计数器j3；计数器j1能够在激光接收模块i接收到激光信号时开始计数，并且能够在激光接收模块i再次接收到激光信号时停止计数；计数器j2能够在激光接收模块i接收到激光信号时开始计数，并且能够在激光接收模块ii接收到激光信号时停止计数；计数器j3能够在激光接收模块ii接收到激光信号时开始计数，并且能够在激光接收模块iii接收到激光信号时停止计数。

优选的，脉冲计数器的个数为1个，编号为计数器j0；计数器j0能够在激光接收模块i接收到激光信号时开始计数，并且能够在激光接收模块i再次接收到激光信号时停止计数；所述单片机内编写有计数统计程序，计数统计程序能够分别统计激光从激光接收模块i开始扫射360°的计数、激光从激光接收模块i扫射到激光接收模块ii的计数以及激光从激光接收模块ii扫射到激光接收模块iii的计数。

优选的，单片机的晶振为18mhz，经1/2分频后，为脉冲计数器提供9mhz的计数频率。

为解决现有技术中三点定位法的定位精度低的技术问题，本发明还提供一种采用上述平面激光定位测量装置的定位方法，包括以下步骤：

步骤s1：将测量杆水平安放在待测平面上，将定位模块放置在待测平面的待测点上；

步骤s2：启动定位模块以及测量杆；定位模块中的激光发射头向反射镜发射激光，电机带动反射镜旋转，使得反射镜反射的激光能够随着电机轴的转动进行水平扫射；

步骤s3：在激光水平扫射360°的过程中，测量杆上的激光接收模块i首先接收到激光信号，然后依次由激光接收模块ii、激光接收模块iii接收到激光信号，最后激光接收模块i再次接收到激光信号；单片机根据激光信号控制脉冲计数器进行计数；

步骤s4：单片机根据脉冲计数器的计数统计出激光从激光接收模块i开始扫射360°的计数n0、激光从激光接收模块i扫射到激光接收模块ii的计数n1以及激光从激光接收模块ii扫射到激光接收模块iii的计数n2；

步骤s5：脉冲计数器的计数周期为t0；计算激光扫射一周的旋转周期t0：t0＝n0×t0；计算激光从激光接收模块i扫射到激光接收模块ii的扫射时间t1：t1＝n1×t0；计算激光从激光接收模块ii扫射到激光接收模块iii的扫射时间t2：t2＝n2×t0；

步骤s6：计算定位模块到激光接收模块i的连线与定位模块到激光接收模块ii的连线之间的夹角φ1：

计算定位模块到激光接收模块ii的连线与定位模块到激光接收模块iii的连线之间的夹角φ2：

步骤s7：分别计算定位模块到激光接收模块i、ii、iii的距离l1、l2、l3：

其中，l1为激光接收模块i到激光接收模块ii之间的距离，l2为激光接收模块ii到激光接收模块iii之间的距离；

步骤s8：为待测平面建立平面直角坐标系r：以激光接收模块i为原点o，以激光接收模块i、激光接收模块ii以及激光接收模块iii所在直线y轴，以垂直于y轴的直线为x轴；计算定位模块与激光接收模块i之间的连线与y轴之间的夹角φ0：

步骤s9：计算定位模块在坐标系r中的坐标(x,y)：

以定位模块的坐标作为待测点的坐标，从而完成待测点在待测平面内的定位。

优选的，当坐标系r与待测平面的标准坐标系r不重合时，步骤s9中还对定位模块的坐标(x,y)进行校正，其中，标准坐标系r的原点为o′，横坐标轴为x，纵坐标轴为y，按如下步骤校正定位笔笔尖坐标(x,y)：

步骤s901：原点o′在坐标系r中的坐标为(x0,y0)，选取横坐标轴x上任意一点(xm,ym)，计算x轴与x轴之间的夹角τ：

步骤s902：计算定位笔笔尖坐标(x,y)在标准坐标系r中的坐标(x,y)，按如下公式：

以校正后的定位笔笔尖坐标(x,y)作为平面内待测点的坐标，从而实现对待测点的定位。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于激光具有良好的方向性并且沿直线传播，十分适用于在平面内进行角度测量，定位模块产生水平扫射的激光，各个激光接收模块依次接收激光，利用角度测量方法，计算得到定位模块与个激光接收模块的连线之间的夹角，再利用三角函数公式计算定位模块到各个激光接收模块之间的距离，最后建立平面直角坐标系，计算出定位模块的坐标。

2、在利用激光测量夹角的过程中，利用单片机所提供的脉冲计数器采集激光水平扫射的时间，由于单片机能够具有较高的频率，较低的计数周期，这样能够提高采集扫描时间的精度，从而提高角度测量的精度，进而提高定位精度。

3、本发明计数器计数频率高，旋转激光旋转频率低，所测得角度精度高，得到的定位精度高。本发明采用18mhz晶振，通过1/2分频，计数器频率为9mhz；合理配置电机转速，使得旋转激光旋转周期约为50ms，则所测得角度最小分辨率约为0.0008°，5m范围内定位精度可达0.07mm。

4、本发明的平面激光定位测量装置采用标准器件制造，具有结构简单、体积小重量轻、成本低廉、可靠性好、精度高以及稳定性高的优点。

5、本发明的定位方法首先采集激光扫射的夹角，然后利用三角函数公式计算各个距离，最后再建立平面坐标系并利用三角函数公式计算坐标。本发明的定位方法不同于三点定位法，无需已知待测点附近的三个已知点坐标，能够实现在平面内任意点位置的定位，由于角度检测的精度高，因此具有较高的定位精度。

附图说明

图1是定位模块的结构示意图；

图2是测量杆的结构示意图；

图3是利用脉冲计数器计量激光扫射时间的原理图；

图4是计算待测点在坐标系r中的坐标的原理图；

图5是平面直角坐标系转换示意图。

具体实施方式

具体实施方式1

如图1至图2所示，一种平面激光定位测量装置，包括定位模块与测量杆；所述定位模块包括激光发射头3、电机1、反射镜2以及为激光发射头3和电机1供电的电源4；所述激光发射头3能够向反射镜2的反射面发射出与电机1的轴线平行或共线的激光，所述反射镜2安装在电机轴1上，反射镜2的反射面与电机轴的轴线呈45°角，使得反射镜2反射的激光能够随着电机轴的转动进行水平扫射；所述测量杆包括单片机5以及沿测量杆长度方向依次设置的共线的激光接收模块i、激光接收模块ii、激光接收模块iii；单片机内5设有由激光信号驱动的脉冲计数器，单片机5能够根据脉冲计数器的计数统计出激光从激光接收模块i开始扫射360°的计数n0、激光从激光接收模块i扫射到激光接收模块ii的计数n1以及激光从激光接收模块ii扫射到激光接收模块iii的计数n2。

单片机5能够根据脉冲计数器的计数n0计算出激光扫射一周的旋转周期t0，进而根据t0、n1与n2，分别计算出激光从激光接收模块i扫射到激光接收模块ii的扫射角度φ1、激光从激光接收模块ii扫射到激光接收模块iii的扫射角度φ2，再利用三角函数公式便能分别计算出定位模块到激光接收模块i、ii、iii的距离l1、l2、l3。整个过程无需进行激光反射，只需将定位模块放置在待测位置，开启定位模块使其将激光扫射一周即可完成距离的测量，十分方便快捷，效率高。并且，在利用激光测量夹角的过程中，利用单片机5所提供的脉冲计数器采集激光水平扫射的时间，由于单片机5能够具有较高的频率，较低的计数周期，这样能够提高采集扫描时间的精度，从而提高角度测量的精度，进而提高定位精度。

在利用本具体实施方式中的平面激光定位测量装置采集到各个计数后，再利用定位算法计算出定位模块的坐标即可实现定位。定位算法可以以软件程序写入测量杆的单片机5中，也可以另外设置上位机，将平面激光定位测量装置采集到的相关数据，如激光扫射角度φ1、φ2，定位模块到激光接收模块i、ii、iii的距离l1、l2、l3，通过数据通信模块传输到上位机中，再由上位机运行定位算法。定位算法可以采用但不限于本发明中步骤s5到步骤s9的定位算法。

本具体实施方式中，所述脉冲计数器包括计数器j1、计数器j2以及计数器j3；计数器j1能够在激光接收模块i接收到激光信号时开始计数，并且能够在激光接收模块i再次接收到激光信号时停止计数；计数器j2能够在激光接收模块i接收到激光信号时开始计数，并且能够在激光接收模块ii接收到激光信号时停止计数；计数器j3能够在激光接收模块ii接收到激光信号时开始计数，并且能够在激光接收模块iii接收到激光信号时停止计数。

本具体实施方式中，单片机5的晶振为18mhz，经1/2分频后，为脉冲计数器提供9mhz的计数频率。

为解决现有技术中三点定位法的定位精度低的技术问题，本发明还提供一种采用上述平面激光定位测量装置的定位方法，如图3至图5所示，包括以下步骤：

步骤s1：将测量杆水平安放在待测平面上，将定位模块放置在待测平面的待测点上；

步骤s2：启动定位模块以及测量杆；定位模块中的激光发射头3向反射镜2发射激光，电机1带动反射镜2旋转，使得反射镜2反射的激光能够随着电机轴的转动进行水平扫射；

步骤s3：在激光水平扫射360°的过程中，测量杆上的激光接收模块i首先接收到激光信号，然后依次由激光接收模块ii、激光接收模块iii接收到激光信号，最后激光接收模块i再次接收到激光信号；单片机根据激光信号控制脉冲计数器进行计数；

步骤s4：单片机5根据脉冲计数器的计数统计出激光从激光接收模块i开始扫射360°的计数n0、激光从激光接收模块i扫射到激光接收模块ii的计数n1以及激光从激光接收模块ii扫射到激光接收模块iii的计数n2；

步骤s5：脉冲计数器的计数周期为t0；计算激光扫射一周的旋转周期t0：t0＝n0×t0；计算激光从激光接收模块i扫射到激光接收模块ii的扫射时间t1：t1＝n1×t0；计算激光从激光接收模块ii扫射到激光接收模块iii的扫射时间t2：t2＝n2×t0；

步骤s6：计算定位模块到激光接收模块i的连线与定位模块到激光接收模块ii的连线之间的夹角φ1：

计算定位模块到激光接收模块ii的连线与定位模块到激光接收模块iii的连线之间的夹角φ2：

步骤s7：分别计算定位模块到激光接收模块i、ii、iii的距离l1、l2、l3：

其中，l1为激光接收模块i到激光接收模块ii之间的距离，l2为激光接收模块ii到激光接收模块iii之间的距离；

步骤s8：为待测平面建立平面直角坐标系r：以激光接收模块i为原点o，以激光接收模块i、激光接收模块ii以及激光接收模块iii所在直线y轴，以垂直于y轴的直线为x轴；计算定位模块与激光接收模块i之间的连线与y轴之间的夹角φ0：

步骤s9：计算定位模块在坐标系r中的坐标(x,y)：

以定位模块的坐标作为待测点的坐标，从而完成待测点在待测平面内的定位。

本具体实施方式中，当坐标系r与待测平面的标准坐标系r不重合时，步骤s9中还对定位模块的坐标(x,y)进行校正，其中，标准坐标系r的原点为o′，横坐标轴为x，纵坐标轴为y，按如下步骤校正定位笔笔尖坐标(x,y)：

步骤s901：原点o′在坐标系r中的坐标为(x0,y0)，选取横坐标轴x上任意一点(xm,ym)，计算x轴与x轴之间的夹角τ：

步骤s902：计算定位笔笔尖坐标(x,y)在标准坐标系r中的坐标(x,y)，按如下公式：

以校正后的定位笔笔尖坐标(x,y)作为平面内待测点的坐标，从而实现对待测点的定位。

本具体实施方式中，所述脉冲计数器包括计数器j1、计数器j2以及计数器j3；步骤s3中，当激光接收模块i首先接收到激光信号时，单片机5控制计数器j1开始计数，当激光接收模块i再次接收到激光信号时，计数器j1停止计数；当激光接收模块i接收到激光信号时，单片机控制计数器j2开始计数，当激光接收模块ii再次接收到激光信号时，计数器j2停止计数；当激光接收模块ii接收到激光信号时，单片机控制计数器j2开始计数，当激光接收模块iii再次接收到激光信号时，计数器j3停止计数；单片计数统计计数器j1的计数，从而获得激光从激光接收模块i开始扫射360°的计数n0；单片机统计计数器j2的计数，从而获得激光从激光接收模块i扫射到激光接收模块ii的计数n1；单片机统计计数器j3的计数，从而获得激光从激光接收模块ii扫射到激光接收模块iii的计数n2。这样，采用三个相互独立的计数器进行计数，相互之间没有干扰，计数精度更高。

具体实施方式2

本具体实施方式与具体实施方式1所不同的是：本具体实施方式中的平面激光定位测量装置中，脉冲计数器的个数为1个，编号为计数器j0；计数器j0能够在激光接收模块i接收到激光信号时开始计数，并且能够在激光接收模块i再次接收到激光信号时停止计数；所述单片机内编写有计数统计程序，计数统计程序能够分别统计激光从激光接收模块i开始扫射360°的计数、激光从激光接收模块i扫射到激光接收模块ii的计数以及激光从激光接收模块ii扫射到激光接收模块iii的计数。

采用本具体实施方式中的平面激光定位测量装置实现的定位方法，与具体实施方式1所不同的是：步骤s3到步骤s4中，计数器j0能够在激光接收模块i接收到激光信号时开始计数，并且能够在激光接收模块i再次接收到激光信号时停止计数；所述单片机内编写有计数统计程序，计数统计程序能够根据计数器j0的计数分别统计激光从激光接收模块i开始扫射360°的计数n0、激光从激光接收模块i扫射到激光接收模块ii的计数n1以及激光从激光接收模块ii扫射到激光接收模块iii的计数n2。这样，能够简化装置结构，降低成本。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。