一种基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种测量定位领域的空间点=维坐标测量方法，特别设及一种基于角 度测量的空间点S维坐标测量方法。
【背景技术】
[0002] 测量定位技术是当前科技领域最前沿的技术之一，其更新换代速度不断加快，基 于各种测量介质（如激光、无线信号等）的测量定位技术也层出不穷。若按其原理进行分 类，可归纳总结为W下4种；基于测距的测量定位原理；基于测角的测量定位原理；基于信 号强度的测量定位原理；基于多种方式混合的测量定位原理。其中W激光为测量介质的测 量定位技术主要应用了测距与测角或两种方式相结合的测量定位原理，在国民经济建设的 大部分领域都得到了广泛应用。
[000引 20世纪50年代W来，随着激光测量技术的不断发展，各种新型的激光测量定位技 术不断出现，根据上文的结论，按其测量定位原理可分为=类；基于激光测距的测量定位技 术基于激光测角的测量定位技术基于激光测距、测角相结合的测量定位技术。
[0004] 基于激光测距的测量定位技术为激光雷达测量定位技术，激光雷达测距的原理分 为二种，一是基于测量激光的飞行时间，二是相位差的测量方法。由于光的速度很快，基 于测量时间的方法一般只适用于很大距离的测量，分辨率较低。相位差法的精度较高，但 根据发射和接收信号之间的相位差测量距离，只能测量出半个波长内的距离值，故需要采 用几种不同波长和频率的激光来测量相位差，从而求出被测距离。激光雷达的调制频率高 达lOOGHz，因此测量精度较高。
[0005] 基于激光测角的测量定位技术为激光经绅仪测量定位技术，激光经绅仪测量系统 是由多台（至少2台）高精度激光经绅仪构成的空间角度前方交会测量系统，是在工业测 量领域应用最早和最多的一种系统，激光经绅仪测量系统一般采用手动照准目标，经绅仪 自动读数，逐点观测的方法，自动化程度不如球坐标测量系统，但在几米到十几米测量范 围内的坐标精度可达到0. 02mm~0. 05mm，甚至超过激光跟踪测量系统的精度。
[0006] 基于激光测距、测角相结合的测量定位技术主要包括激光全站仪测量定位技术、 激光跟踪测量定位技术。由于应用了激光测距与激光测角相结合的测量定位原理，根据空 间解析几何原理，若待测目标点与激光全站仪的距离、角度关系已知，即可计算出待测目标 点的空间位置。激光全站仪的测距原理是由全站仪光源发出光强随高频信号变化的调制 光，在到达合作棱镜目标（待测点）反射回全站仪后，通过测量调制光在待测距离上往返传 播的相位差来解算距离；测角原理是通过光电编码器记录全站仪瞄准镜在水平和竖直方 向上旋转角度的数字化信息，从而获取激光全站仪与待测点之间的相对角度关系。激光跟 踪测量定位技术的原理与激光全站仪类似，仅仅是测距的方式（单频激光干设测距）、跟踪 方式及仪器的结构设计不同而已。
[0007] 本发明结合光学、电子W及计算机技术，主要致力于解决空间点的定位问题，即对 其=维坐标进行测量的问题。本发明与W往的激光测量定位技术相比，具有成本低、自动化 程度较高、抗障碍物遮挡能力强的优点。适合于成本控制较为严格、自动化程度需求较高、 障碍物遮挡较多的测量场所。
[000引鉴于W上所述情况，本发明人经过不断的研究、设计，终于创造性的设计出确具实 用价值的本发明。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于，在已有激光测量定位技术的基础上，综合考虑各种因素，提出 一种成本低、自动化程度较高、抗障碍物遮挡能力强的空间点激光测量定位技术的原理。现 有的激光测量定位技术都有其一定的局限性，激光雷达测量定位技术在远距离的情况下测 量定位精度大大降低，只适合小空间的测量，并且其成本极高，不适用于大部分测量定位场 合。激光经绅仪测量定位技术的自动化程度较低，不能适应大部分测量环境自动化的要求。 激光全站仪与激光跟踪测量定位技术具有极高的自动化程度，但其缺点是容易受到障碍物 遮挡。
[0010] 本发明的目的在于，提出一种新的扇面激光旋转角度的测量原理，使用扇面激光 作为测量介质，运用光学、电子和计算机知识，对扇面激光绕某旋转轴从初始基准旋转至待 测空间点（扇面激光接收器）转过的角度进行测量。
[0011] 本发明的目的在于，提出一种新的扇面激光发射器位置及位姿变动方法，运用高 精度滑台与高精度转台，辅W相关的控制科学知识，对扇面激光发射器的移动量W及旋转 量进行精确控制。
[0012] 本发明的目的及解决其技术问题是采用W下技术方案实现的。依据本发明提出的 基于旋转扇面激光测角的空间点测量定位系统，包括扇面激光发射端、扇面激光接收端和 任务计算机，其中扇面激光发射端包括扇面激光发射器、滑台、转台和起始基准，扇面激光 接收端包括扇面激光接收器、计时模块，任务计算机处理来自计时模块的时间节点数据。其 中，扇面激光发射器安装在转台上，扇面激光发射器旋转轴线与转台旋转轴线垂直相交。转 台安装在滑台上，确保转台旋转轴线与滑台移动方向垂直。在滑台的固定位置安装一起始 基准，所谓起始基准亦为一扇面激光接收器，能感应到扇面激光发射器发射的旋转扇面激 光，起始基准与权利要求9中所述的坐标系固联，其作用是为旋转扇面激光的指示起始点， 通过计算扇面激光从起始基准旋转至扇面激光接收器（即待测空间点）的时间，进而计算 得起始点与待测点之间的角度，从而推出空间待测点与坐标系之间的关系。
[0013] 本发明的目的及解决其技术问题是采用W下技术方案实现的。首先扇面激光发射 器在初始位置旋转发射扇面激光，将此时扇面激光发射器所绕的旋转轴线定义为Z轴，与 滑台平面的交点定义为0点，转台在滑台上的移动方向定义为X轴，将此0-XYZ坐标系定义 为全局坐标系，所测待测点的S维坐标即相对于该坐标系而言。
[0014] 本发明的目的及解决其技术问题是采用W下技术方案实现的。在位置1发射一束 扇面激光，在此位置时其旋转轴线与全局坐标系中的Z轴重叠，该扇面激光旋转依次经过 起始基准与待测点，通过计时模块所测得的扇面激光旋转时间，间接测得起始基准与待测 点之间的角度。
[0015] 本发明的目的及解决其技术问题是采用W下技术方案实现的。在完成位置1的测 量后，扇面激光发射器在滑台的作用下，沿X轴移动到位置2,在此位置时其旋转轴线与全 局坐标系中的z轴平行，该扇面激光旋转依次经过起始基准与待测点，通过计时模块所测 得的扇面激光旋转时间，间接测得起始基准与待测点之间的角度。
[0016] 本发明的目的及解决其技术问题是采用W下技术方案实现的。在完成位置2的测 量后，扇面激光发射器在转台的作用下，在位置2做一定角度的旋转，使该扇面激光发射器 的旋转轴线与全局坐标系中的Z轴成一定夹角，该扇面激光旋转依次经过起始基准与待 测点，通过计时模块所测得的扇面激光旋转时间，间接测得起始基准与待测点之间的角度。
[0017] 本发明的目的及解决其技术问题是采用W下技术方案实现的。根据空间几何的基 本原理，空间中某一未知点可由=个平面交汇确定。位置1发射的一束扇面激光与位置2 发射的两束扇面激光交汇到扇面激光接收端中的扇面激光接收器，将代表该=束扇面激光 的方程式列出并联立，所解得的结果即为扇面激光接收器的空间坐标值，即扇面激光接收 器所代表的待测空间点坐标值。
[001引上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 并可依照说明书的内容予W实施，W下W本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
[0019] 本发明的【具体实施方式】由W下实施例及其附图详细给出。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明系统图
[0021] 图2是本发明所发射第一束扇面激光
[0022] 图3是本发明所发射第二束扇面激光
[0023] 图4是本发明所发射第=束扇面激光
[0024] 图5是本发明测量定位的数学原理图
[0025]
[0026] 图中；
[0027] 1 ;扇面激光发射器 2;高精度滑台
[002引 3 ;高精度转台 4 ;起始基准
[0029] 5 ;扇面激光接收器 6 ;计时模块
[0030] 7 ;任务计算机
【具体实施方式】
[0031] 为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，W下结 合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的空间点=维坐标测量系统及其方法的具体实施 方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
[0032] 有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在W下配合参考图式的较佳实 施例的详细说明中将可清楚呈现。通过【具体实施方式】的说明，当可对本发明为达成预定目 的所采取的技术手段及功效得W更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与