CN107402376B - 一种双曲面建筑物的激光三维定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双曲面建筑物的激光三维定位装置及方法，装置包括双曲面建筑、轴线所在曲面、激光、横向和纵向激光发射装置阵列、远程控制装置；激光发射装置阵列均由n个激光发射装置构成；激光发射装置由激光发射器、信号控制模块、数据处理模块和信号发射器或信号接收器构成；该装置能对曲面建筑的轴线进行精确定位，从而实时控制施工精度，方法简单，施工效率高；同时，也可以对建筑物的多个关键点进行定位，从而实现建筑物的三维重建。

Description

一种双曲面建筑物的激光三维定位装置及方法

技术领域

本发明属于光学定位技术领域，具体涉及一种双曲面建筑物的激光三维定位装置及方法。

背景技术

由于双曲面建筑物的散热性能良好，目前，化工厂和热电厂的冷却塔均采用双曲面的外形。曲面建筑物中混凝土构件的截面尺寸、位移偏差、垂直度的控制均比普通混凝土结构工程困难许多，因此施工工艺复杂，施工质量较难控制。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种双曲面建筑物的激光三维定位装置及方法。

本发明的装置所采用的技术方案是：一种双曲面建筑物的激光三维定位装置，其特征在于：包括激光发射装置、远程控制装置、活动机械臂；

所述若干激光发射装置组成横向激光发射装置阵列，若干激光发射装置组成纵向激光发射装置阵列；所述活动机械臂为两个，方向相互垂直地设置在双曲面建筑的两侧，其上分别固定设置有所述横向激光发射装置阵列和纵向激光发射装置阵列；

所述远程控制装置用于控制激光发射装置发射激光的角度，从而确保双曲面建筑的轴线所在曲面上每一点都能由两束激光的交点确定。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种双曲面建筑物的激光三维定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：针对双曲面建筑，其外部轮廓为双曲线：

将双曲面放入三维坐标系中，其坐标原点为双曲面两个焦点所连线段的中点；横向激光发射装置阵列和纵向激光发射装置阵列分别设置在y轴和x轴两侧，横向激光发射装置阵列中的激光发射装置B₁和纵向激光发射装置阵列中的激光发射装置A₁之间的距离为l；A₁发射出的激光与y轴的夹角为α₁，B₁发射出的激光与x轴的夹角为β₁；

取z₀＝0的平面进行研究，在这个平面内，两束激光的交点为P(x₀,y₀,0)，A₁P的长度为l₁，B₁P的长度为l₂，焦距为l，长轴为a；解方程组(1)和(2)：

l₁-l₂＝2a (1)；

得：

步骤2：当P点在坐标系的第一象限内移动时，根据步骤1中确定的α₁与β₁的关系，绘制出β₁随α₁变化的曲线；

步骤3：远程控制装置通过激光发射装置A₁中的信号接收器与A₁中的纵向转动控制模块和横向转动控制模块进行通信，进而控制激光发射装置A₁发出激光光束的偏角α₁从0度变到α₀，α₀<180°；由步骤2中的β₁与α₁的定量关系，能得到β₁的大小，这个过程由数据处理模块实现；然后，由激光发射装置A₁中的信号发射器将计算出的β₁的大小发送到远程控制装置，远程控制装置通过B₁中的信号接收器与B₁中的纵向转动控制模块和横向转动控制模块进行通信，进而控制激光发射装置B₁发出激光光束夹角β₁的大小；

步骤4：激光发射装置A₁和激光发射装置B₁发射光束的偏角分别为α₁和β₁时，它们的交点为P；随着α₁的不断变化，P点的轨迹也在不断变化，将这些轨迹点连接起来，得到双曲面建筑的轴线；

步骤5：设激光发射装置A₂发射的光束与y轴的夹角为α₂，与z轴的夹角为γ₂；激光发射装置B₂发射的光束与x轴的夹角为β₂，与z轴的夹角为λ₂；当z₀≠0时，将P(x₀,y₀,z₀)点在xoy平面内投影得到P′(x₀,y₀,0)；假定A₂P′的长度为x₁，B₂P′的长度为x₂；

由余弦定理可得：

其中，d表示横向激光发射装置阵列和纵向激光发射装置阵列中相邻两个激光发射装置之间的距离；l₁表示A₁P的长度。

由正弦定理可得：

即：

同理，可得：

此时，

步骤6：当P点的投影点P′在坐标系的第一象限内移动时，根据步骤5求出α₂、β₂、γ₂和λ₂的值；

把不同的坐标点(α₂,β₂)绘制在分别以α₂和β₂为x轴和y轴的坐标系中，获得β₂随α₂变化的曲线；同理获得γ₂随α₂变化的曲线，λ₂随α₂变化的曲线；

步骤7：远程控制装置通过激光发射装置A₂中的信号接收器与A₂中的纵向转动控制模块和横向转动控制模块进行通信，进而控制激光发射装置A₂发出激光光束的偏角α₂从0度变到α₀，α₀<180°；由步骤6中的β₂与α₂、γ₂与α₂、λ₂与α₂的定量关系，得到β₂、γ₂和λ₂的大小，这个过程由数据处理模块实现；然后，由激光发射装置A₂中的信号发射器将计算出的β₂、γ₂和λ₂的大小发送到远程控制装置，远程控制装置通过A₂和B₂中的信号接收器与A₂和B₂中的纵向转动控制模块和横向转动控制模块进行通信，进而控制激光发射装置A₂发出激光光束夹角γ₂的大小和激光发射装置B₂发出激光光束夹角β₂和λ₂的大小；

步骤8：激光发射装置A₂发射的光束与激光发射装置B₂发射的光束交点为P，随着α₂的不断变化，P点的轨迹也在不断变化，将这些轨迹点连接起来，得到双曲面建筑在z＝z₀平面内的轴线；

步骤9：由横向激光发射装置阵列和纵向激光发射装置阵列确定双曲面建筑轴线所在的曲面。

本发明的优点是：

1：可以对曲面建筑的轴线进行精确定位，从而实时控制施工精度，方法简单，施工效率高；

2：可以对建筑物的多个关键点进行定位，从而实现建筑物的三维重建。

附图说明

图1和图2均为本发明实施例的方法原理图；

图3和图4为本发明实施例的激光发射装置、滚轴和伸缩装置；

图5为本发明实施例的滚轴的结构详图；

图6为本发明实施例的远程控制装置图；

图7和图8为本发明实施例的激光发射装置阵列；

图9为本发明实施例的β₁随α₁变化的曲线图；

图10为本发明实施例的β₂随α₂变化的曲线图；

图11为本发明实施例的γ₂随α₂变化的曲线图；

图12为本发明实施例的λ₂随α₂变化的曲线图。

图中，1为双曲面建筑、2为轴线所在曲面、3为激光、4为横向激光发射装置阵列、5为纵向激光发射装置阵列、6为激光发射器、7为信号控制模块、8为数据处理模块、9为信号发射器、10为信号接收器、11为纵向转动控制模块、12为伸缩装置、13为滚轴、14为外层环、15为滚珠、16为内层环、17为横向转动控制模块、18为远程控制装置、19为活动机械臂。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图3-图8，本发明提供的一种双曲面建筑物的激光三维定位装置，包括双曲面建筑1、轴线所在曲面2、激光3、横向激光发射装置阵列4、纵向激光发射装置阵列5、伸缩装置12、滚轴13、远程控制装置18、活动机械臂19；

激光发射装置阵列4由很多激光发射装置构成，激光发射装置包括激光发射器6、信号控制模块7、数据处理模块8、信号接收器10和/或信号发射器9、伸缩装置12；伸缩装置12两端配置有滚轴13，滚轴13由外层环14、滚珠15和内层环16构成；横向和纵向激光发射装置阵列4和5固定在活动机械臂19上面，每两个激光发射装置之间的距离可以根据需要调整；两个活动机械臂19设置在双曲面建筑1的两侧，并且方向相互垂直；伸缩装置12用于根据需要调节激光发射器6到适当高度；两个激光发射装置A₁和B₁之间的距离为l；激光发射装置A_i和B_i发射出的光束分别与y轴和x轴方向的夹角为α_i和β_i；它们与z轴的夹角分别为γ_i和λ_i；远程控制装置18可以对夹角α_i、β_i、γ_i和λ_i进行实时调整；轴线所在曲面2上的每一点都可以由两束激光的交点确定。

请见图1和图2，本发明提供的一种双曲面建筑物的激光三维定位方法，包括以下步骤：

步骤1：针对双曲面建筑1，其外部轮廓为双曲线：

将双曲面放入三维坐标系中，其坐标原点为双曲面两个焦点所连线段的中点；横向激光发射装置阵列4和纵向激光发射装置阵列5分别设置在y轴和x轴两侧，横向激光发射装置阵列4中的激光发射装置B₁和纵向激光发射装置阵列5中的激光发射装置A₁之间的距离为l；A₁发射出的激光与y轴的夹角为α₁，B₁发射出的激光与x轴的夹角为β₁；

取z₀＝0的平面进行研究，在这个平面内，两束激光的交点为P(x₀,y₀,0)，A₁P的长度为l₁，B₁P的长度为l₂，焦距为l，长轴为a；解方程组(1)和(2)：

l₁-l₂＝2a (1)；

得：

步骤2：当P点在坐标系的第一象限内移动时，根据步骤1中确定的α₁与β₁的关系，绘制出β₁随α₁变化的曲线；例如图9所示(a＝4，b＝3)；

步骤3：远程控制装置18通过激光发射装置A₁中的信号接收器10与A₁中的纵向转动控制模块11和横向转动控制模块17进行通信，进而控制激光发射装置A₁发出激光光束的偏角α₁从0度变到α₀，α₀<180°；由步骤2中的β₁与α₁的定量关系，能得到β₁的大小，这个过程由数据处理模块8实现；然后，由激光发射装置A₁中的信号发射器9将计算出的β₁的大小发送到远程控制装置18，远程控制装置18通过B₁中的信号接收器10与B₁中的纵向转动控制模块11和横向转动控制模块17进行通信，进而控制激光发射装置B₁发出激光光束夹角β₁的大小；

步骤4：激光发射装置A₁和激光发射装置B₁发射光束的偏角分别为α₁和β₁时，它们的交点为P；随着α₁的不断变化，P点的轨迹也在不断变化，将这些轨迹点连接起来，得到双曲面建筑1的轴线；

步骤5：设激光发射装置A₂发射的光束与y轴的夹角为α₂，与z轴的夹角为γ₂；激光发射装置B₂发射的光束与x轴的夹角为β₂，与z轴的夹角为λ₂；当z₀≠0时，将P(x₀,y₀,z₀)点在xoy平面内投影得到P′(x₀,y₀,0)；假定A₂P′的长度为x₁，B₂P′的长度为x₂；

由余弦定理可得：

其中，d表示横向激光发射装置阵列4和纵向激光发射装置阵列5中相邻两个激光发射装置之间的距离；l₁表示A₁P的长度。

由正弦定理可得：

即：

同理，可得：

此时，

步骤6：当P点的投影点P′在坐标系的第一象限内移动时，根据步骤5可以求出α₂、β₂、γ₂和λ₂的值。把不同的坐标点(α₂,β₂)绘制在分别以α₂和β₂为x轴和y轴的坐标系中，就可以绘制出β₂随α₂变化的曲线，例如图10所示(z₀＝2，d＝3)；同理可以绘制出γ₂随α₂变化的曲线，λ₂随α₂变化的曲线，例如图11和图12所示；

步骤7：远程控制装置18通过激光发射装置A₂中的信号接收器10与A₂中的纵向转动控制模块11和横向转动控制模块17进行通信，进而控制激光发射装置A₂发出激光光束的偏角α₂从0度变到α₀，α₀<180°；由步骤6中的β₂与α₂、γ₂与α₂、λ₂与α₂的定量关系，得到β₂、γ₂和λ₂的大小，这个过程由数据处理模块8实现；然后，由激光发射装置A₂中的信号发射器9将计算出的β₂、γ₂和λ₂的大小发送到远程控制装置18，远程控制装置18通过A₂和B₂中的信号接收器10与A₂和B₂中的纵向转动控制模块11和横向转动控制模块17进行通信，进而控制激光发射装置A₂发出激光光束夹角γ₂的大小和激光发射装置B₂发出激光光束夹角β₂和λ₂的大小；

步骤8：激光发射装置A₂发射的光束与激光发射装置B₂发射的光束交点为P，随着α₂的不断变化，P点的轨迹也在不断变化，将这些轨迹点连接起来，得到双曲面建筑在z＝z₀平面内的轴线；

步骤9：由横向激光发射装置阵列4和纵向激光发射装置阵列5确定双曲面建筑轴线所在的曲面。

尽管本说明书较多地使用了双曲面建筑1、轴线所在曲面2、激光3、横向激光发射装置阵列4、纵向激光发射装置阵列5、激光发射器6、信号控制模块7、数据处理模块8、信号发射器9、信号接收器10、纵向转动控制模块11、伸缩装置12、滚轴13、外层环14、滚珠15、内层环16、横向转动控制模块17、远程控制装置18、活动机械臂19等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种双曲面建筑物的激光三维定位方法，采用双曲面建筑物的激光三维定位装置；所述装置包括激光发射装置、远程控制装置(18)、活动机械臂(19)；

所述若干激光发射装置组成横向激光发射装置阵列(4)，若干激光发射装置组成纵向激光发射装置阵列(5)；所述活动机械臂(19)为两个，方向相互垂直地设置在双曲面建筑(1)的两侧，其上分别固定设置有所述横向激光发射装置阵列(4)和纵向激光发射装置阵列(5)；

所述远程控制装置(18)用于控制激光发射装置发射激光(3)的角度，从而确保双曲面建筑(1)的轴线所在曲面(2)上每一点都能由两束激光的交点确定；

其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：针对双曲面建筑(1)，其外部轮廓为双曲线：

将双曲面放入三维坐标系中，其坐标原点为双曲面两个焦点所连线段的中点；横向激光发射装置阵列(4)和纵向激光发射装置阵列(5)分别设置在y轴和x轴两侧，横向激光发射装置阵列(4)中的激光发射装置B₁和纵向激光发射装置阵列(5)中的激光发射装置A₁之间的距离为l；A₁发射出的激光与y轴的夹角为α₁，B₁发射出的激光与x轴的夹角为β₁；

取z₀＝0的平面进行研究，在这个平面内，两束激光的交点为P(x₀,y₀,0)，A₁P的长度为l₁，B₁P的长度为l₂，焦距为l，长轴为a；解方程组(1)和(2)：

l₁-l₂＝2a (1)；

得：

步骤2：当P点在坐标系的第一象限内移动时，根据步骤1中确定的α₁与β₁的关系，绘制出β₁随α₁变化的曲线；

步骤3：远程控制装置(18)通过激光发射装置A₁中的信号接收器(10)与A₁中的纵向转动控制模块(11)和横向转动控制模块(17)进行通信，进而控制激光发射装置A₁发出激光光束的偏角α₁从0度变到α₀，α₀＜180°；由步骤2中的β₁与α₁的定量关系，能得到β₁的大小，这个过程由数据处理模块(8)实现；然后，由激光发射装置A₁中的信号发射器(9)将计算出的β₁的大小发送到远程控制装置(18)，远程控制装置(18)通过B₁中的信号接收器(10)与B₁中的纵向转动控制模块(11)和横向转动控制模块(17)进行通信，进而控制激光发射装置B₁发出激光光束夹角β₁的大小；

步骤4：激光发射装置A₁和激光发射装置B₁发射光束的偏角分别为α₁和β₁时，它们的交点为P；随着α₁的不断变化，P点的轨迹也在不断变化，将这些轨迹点连接起来，得到双曲面建筑(1)的轴线；

步骤5：设激光发射装置A₂发射的光束与y轴的夹角为α₂，与z轴的夹角为γ₂；激光发射装置B₂发射的光束与x轴的夹角为β₂，与z轴的夹角为λ₂；当z₀≠0时，将P(x₀,y₀,z₀)点在xoy平面内投影得到P′(x₀,y₀,0)；假定A₂P′的长度为x₁，B₂P′的长度为x₂；

由余弦定理可得：

其中，d表示横向激光发射装置阵列(4)和纵向激光发射装置阵列(5)中相邻两个激光发射装置之间的距离；l₁表示A₁P的长度；

由正弦定理可得：

即：

同理，可得：

此时，

步骤6：当P点的投影点P′在坐标系的第一象限内移动时，根据步骤5求出α₂、β₂、γ₂和λ₂的值；

把不同的坐标点(α₂,β₂)绘制在分别以α₂和β₂为x轴和y轴的坐标系中，获得β₂随α₂变化的曲线；同理获得γ₂随α₂变化的曲线，λ₂随α₂变化的曲线；

步骤7：远程控制装置(18)通过激光发射装置A₂中的信号接收器(10)与A₂中的纵向转动控制模块(11)和横向转动控制模块(17)进行通信，进而控制激光发射装置A₂发出激光光束的偏角α₂从0度变到α₀，α₀＜180°；由步骤6中的β₂与α₂、γ₂与α₂、λ₂与α₂的定量关系，得到β₂、γ₂和λ₂的大小，这个过程由数据处理模块(8)实现；然后，由激光发射装置A₂中的信号发射器(9)将计算出的β₂、γ₂和λ₂的大小发送到远程控制装置(18)，远程控制装置(18)通过A₂和B₂中的信号接收器(10)与A₂和B₂中的纵向转动控制模块(11)和横向转动控制模块(17)进行通信，进而控制激光发射装置A₂发出激光光束夹角γ₂的大小和激光发射装置B₂发出激光光束夹角β₂和λ₂的大小；

步骤8：激光发射装置A₂发射的光束与激光发射装置B₂发射的光束交点为P，随着α₂的不断变化，P点的轨迹也在不断变化，将这些轨迹点连接起来，得到双曲面建筑在z＝z₀平面内的轴线；

步骤9：由横向激光发射装置阵列(4)和纵向激光发射装置阵列(5)确定双曲面建筑轴线所在的曲面。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述激光发射装置包括激光发射器(6)、信号控制模块(7)、数据处理模块(8)、信号接收器(10)和/或信号发射器(9)、纵向转动控制模块(11)、横向转动控制模块(17)；

所述激光发射装置还配置有伸缩装置(12)，用于根据需要调节激光发射器(6)到适当高度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述伸缩装置(12)两端配置有滚轴(13)，滚轴(13)由外层环(14)、滚珠(15)和内层环(16)构成。