CN110865336B - 激光追踪定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光追踪定位装置，包括四个激光发射器、激光接收器，激光发射器甲、乙之间从上之下依次设有上反射镜组、齿轮带动的沿水平旋转的竖直的长轴和下反射镜组；上反射镜组包括两块倾斜设置于上方盒内的用于将激光发射器甲、丙发射出的两束激光反射90°并向上方盒的正右方和正后方射出的反射镜；下反射镜组包括一块倾斜设置在下方盒里的用于将激光发射器乙、丙发射的激光反射90°并向下方盒的正左方和正右方射出的反射镜，四个激光发射器于上下反射镜组发出激光处均设有一个一线激光扫描装置。本发明可以解决现有激光定位器结构不合理导致高数据刷新率时产生抖动，影响定位准确性且不可移动的问题。

Description

激光追踪定位装置

技术领域

本发明涉及激光组的空间定位技术领域，尤其是一种用激光组作为追踪定位的装置。

背景技术

现有的激光定位器包括两个激光发射器和将它们发出的激光旋转发散成一字线激光的一线激光扫描装置，还包括接受两个激光发射器的激光接收器，两个激光发射器的一线激光扫描装置的旋转轴为互相垂直的，以发出互相垂直的两个一字线激光，即一个激光发射器的一线激光扫描装置的旋转轴沿水平方向旋转，形成一幅垂直面（亦称一字线激光）从坐到右沿水平方向进行扫描，另一个激光发射器的一线激光扫描装置的旋转轴沿垂直方向旋转，形成一幅水平面（亦称一字线激光）从上到下沿垂直方向进行扫描，两个一字线激光依次对付在某移动物体上的激光接收器进行两周期扫描，得到激光接收器的空间坐标，以达到对该物体的追踪定位。为了能对该追踪物进行实时的追踪定位，需要激光发射器扫描高数据刷新率，如此激光发射器扫描装置的转速会很高，在此高转速下竖直方向与水平方向的震动会互相影响，造成定位坐标的抖动。由于两激光发射器的旋转轴是互相独立且垂直旋转的，任何一点抖动、震动对某一激光发射器的轴向旋转抖动，导致垂直或水平轴定位坐标的偏差，使激光接收器接收到的该物体的位置坐标不准确。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种激光追踪定位装置，以解决现有激光定位器结构不合理导致高数据刷新率时产生抖动，影响定位准确性且不可移动的问题。

为了解决上述问题，本发明的技术方案是：本激光追踪定位装置包括激光发射器、一线激光扫描装置和激光接收器，所述激光发射器有四个并依次同轴竖直排列为向下发射的激光发射器甲、向上发射的激光发射器丁、向下发射的激光发射器丙、向上发射的激光发射器乙，所述激光发射器甲和所述激光发射器乙之间从上至下依次设有上反射镜组、齿轮带动的沿水平旋转并与四个所述激光发射器同轴的竖直长轴和下反射镜组，所述激光发射器丁和所述激光发射器丙设于所述长轴内并一上一下依次设置；

所述上反射镜组包括两块倾斜设置于上方盒内的用于将所述激光发射器甲和所述激光发射器丁发射出的两束激光反射90°并向所述上方盒的正右方和正后方射出的反射镜，所述上方盒于所述激光发射器甲和激光发射器丙所发出的激光处均设有一个所述一线激光扫描装置；

所述下反射镜组包括一块倾斜设置在下方盒里的用于将所述激光发射器乙和所述激光发射器丙发射的激光反射90°并向所述下方盒的正左方和正右方射出的反射镜，所述下方盒于所述激光发射器乙和所述激光发射器丙所发出的激光处均设有一个所述一线激光扫描装置；

所述激光接收器内包括用于收电信号并记下时间间隔，计算出四个激光发射器的旋转角速度信息的控制单元，所述激光接收器上还设有红外线光敏二极管。

上述技术方案中，更为具体的方案可以是：控制单元包括以下步骤，以获得准确的追踪定位信息：

步骤A、长轴带动四个激光发射器在空间中持续旋转扫描，由甲丁丙乙四个激光发射器发射的四条激光不断以圆周扫描的方式扫过激光接收器，构成一个以激光接收器到四个激光发射器所在轴线水平距离为半径，轴心位置为四个激光发射器形成的圆柱面；

步骤B、由激光发射器乙和激光发射器甲发射的两条斜45°一字线激光扫描过激光接收器，产生两个有时间间隔的接收信号，由此可算得两束激光扫过激光接收器的角度，此角度对应的两束激光扫过激光接收器在圆柱面上的直线距离等于激光发射器甲和激光发射器乙反射后从一线激光扫描装置发散出的两束激光之间的上下距离的定长，构成一个由两激光发射器到激光接收器所在圆柱面水平距离为两腰，顶角为该两束激光扫过激光接收器的角度，底边为该两束激光扫过激光接收器在圆柱面上的直线距离的等腰三角形，由几何关系可得出激光接收器所在圆柱面到激光定位装置的水平距离；

步骤C、由激光发射器丙和激光发射器乙发射的一竖直一字线激光与一斜线一字线激光扫描过激光接收器，产生两个有时间间隔的接收信号，由此可算出扫过激光接收器的角度，由于激光发射器乙和激光发射器丙相隔半个旋转周期，减去两激光发射器相隔的半个旋转周期后得到等效相交的两条激光扫描线，构成一个由两条激光线扫描过激光接收器的角度为顶角，步骤B所得激光接收器所在圆柱面到四个激光发射器所在轴线的水平距离为两腰，两激光扫过激光接收器在圆柱面上的直线距离为底边的等腰三角形，由于激光发射器乙发射的为斜45°激光线，由几何关系可知构成的等腰三角形的底长度等于激光接收器到四个激光发射器形成圆柱的几何中心的垂直高度；若激光发射器乙和激光发射器丙扫过激光接收器的角度减去两激光发射器相隔半个旋转周期的角度为正数，则激光接收器在激光定位装置的上方，反则在下方；

步骤D、激光发射器丙相邻两扫描周期扫过激光接收器，产生有时间间隔的接收信号，由此可算出激光扫过激光接收器后转动的角度，此角度为上一次扫描位置与本次扫描位置的差角；设上一次扫描位置为初始位置，则本次扫描的激光接收器位置为上次位置转动改角度后的位置，且激光接收器与四个激光发射器所在轴线的水平距离与垂直距离都由上述得出；将这些数据转化为空间三维坐标，以四激光发射器重合的中心为零坐标，初始化位置为x轴位置，则可由几何关系换算出激光接收器相对与四个激光发射器所在轴线在空间中的三维坐标。

进一步的：一线激光扫描装置内设有一字柱面透镜，所述控制单元为微控制单元。

进一步的：所有所述激光发射器发射波长为980纳米的不可见激光。

进一步的：所述激光发射器丁发射的激光为发散角度为3°的圆锥型激光。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本激光追踪定位装置采用单轴旋转方式，不会因震动对水平或垂直坐标造成影响，且激光扫描装置以定长来排布上下扫描装置实现横向扫描，因而单旋转轴在一旋转扫描周期内就能得到接收装置的空间xyz三坐标，能在高转速的情况下实现高精度的定位，得到更高的数据刷新率；

现有的移动或转动现有的两轴一线激光扫描装置时，装置的垂直或水平轴其中一轴必定会改变角度，两轴旋转扫描的时序改变，带来错误的数据，而本发明每条扫描线间时序都是固定的，扫描时不会因扫描装置位置及姿态的改变而造成数据的影响进而可以获得被扫描物的相对位置坐标信息（由于扫描装置是可以移动的，在扫描装置和接收装置都在运动时可以获得相对位置坐标信息）；

本激光追踪定位装置作为高精度空间定位器，可用于如虚拟现实空间定位、空间全息影像展示、无人机精准三维定位、智能物流系统空间定位等方面。

附图说明

图1是发明实施例的结构示意图；

图2是发明实施例的四个激光发射器的激光扫描图；

图3是发明实施例的四个激光发射器的激光扫描图的截面图；

图4是发明实施例激光接收器与四个激光发射器的水平距离原理图；

图5是发明实施例激光接收器获得的柱面距离原理图；

图6是发明实施例激光接收器相对于激光定位装置的高度原理图；

图7是发明实施例激光扫过激光接收器的夹角减180°获得的等效图；

图8是发明实施例激光接收器距离激光发射器的水平距离和垂直距离的原理图；

图9是发明实施例激光接收器接收激光发射器丙两次扫描距离和角度的原理图；

图10是发明实施例激光接收器接收四个激光发射器获得的三维坐标图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步详述：

如图1所示的本激光追踪定位装置，包括四个激光发射器1，每个激光发射器发射波长为980纳米的不可见激光、一线激光扫描装置和激光接收器，四个激光发射器依次同轴竖直排列为向下发射的激光发射器甲1-1、向上发散的激光发射器丁1-4、向下发射的激光发射器丙1-3、向上发射的激光发射器乙1-2，激光发射器甲1-1和激光发射器乙1-2之间从上至下依次设有上反射镜组2、齿轮4带动的沿水平旋转并与四个激光发射器同轴的竖直长轴5和下反射镜组6，激光发射器丁1-4和激光发射器丙1-3设于长轴5内并一上一下依次设置。

上反射镜组2包括两块倾斜设置于上方盒2-1内的用于将激光发射器甲1-1和激光发射器丁1-4发射出的两束激光反射90°并向上方盒2-1的正右方和正后方射出的反射镜，即将激光发射器甲1-1发射出的激光反射90°并向上方盒2-1的正右方射出的反射镜2-2，该反射镜2-2沿逆时针方向倾斜45°安放，还有将激光发射器丁1-4发射出的激光反射90°并向上方盒2-1的正后方射出的反射镜2-3，该反射镜2-3在反射镜2-2的下方并向后侧倾斜安放。上方盒2-1于激光发射器甲1-1和激光发射器丙1-3所发出的激光处均设有一个一线激光扫描装置3。

下反射镜组6包括一块倾斜设置在下方盒6-1里的用于将激光发射器乙1-2和激光发射器丙1-3发散的激光反射90°并向下方盒6-1的正左方和正右方射出的反射镜6-2，该反射镜6-2双面反射，沿逆时针方向倾斜45°设置于下方盒6-1的对角线内，正面和反面同时分别反射激光发射器丙1-3和激光发射器乙1-2的光线；下方盒6-1于激光发射器乙1-2和激光发射器丙1-3所发出的激光处均设有一个一线激光扫描装置3。

这里的一线激光扫描装置3内设有一字柱面透镜。

输出激光发射器丁1-4反射后的一线激光扫描装置3选用发散角度为3°，使激光发射器丁1-4发射的激光为发散角度为3°的圆锥型激光，经过一线激光扫描装置后变为竖直的带状激光7-4；激光发射器甲1-1、激光发射器乙1-2、激光发射器丙1-3反射经各个一线激光扫描装置3发散出的依次为向后侧倾斜45°的一字线激光7-1、向后侧倾斜45°的一字线激光7-2、竖直的一字线激光7-3。激光发射器甲1-1反射出的一线激光扫描装置3和激光发射器乙1-2反射出的一线激光扫描装置之间的距离为定长d。

激光接收器8内包括用于收电信号并记下时间间隔，计算出四个激光发射器的旋转角速度信息的控制单元10，激光接收器8上还设有红外线光敏二极管9；这里的控制单元10选用微处理单元。

控制单元包括以下步骤，以获得准确的追踪定位信息：

步骤A、四个激光发射器在空间中使发射的激光不停旋转扫描装置所在的空间，构成一个以激光接收器到四个激光发射器所在轴线水平距离为半径，轴心位置为四个激光发射器形成的圆柱面，获得激光扫描图，如图2，图激光排序从左到右为1-激光发射器丁、2-激光发射器乙、3-激光发射器甲、4-激光发射器丙；

取空间中的一截面，则会周期性捕捉到上图的激光图案，如图3。

带状激光在扫描时会有两个或两个以上的激光接收器同时接收到激光信号，此为一个扫描周期的起始信号。

本激光追踪定位装置初始化时在两个以上激光接收器接收到信号时控制单元记录时间，再次接收到时再次记录时间，获得装置扫描周期T与旋转角速度ω，电机为匀速旋转故T与ω不变。

步骤B、确定空间位置：

步骤B1、激光接收器8与四个激光发射器之间的水平距离如图4，箭头指处为四个重合的激光发射器。

两条斜45°激光扫描过激光接收器（线2、线3），产生两个有时间间隔的接收信号，由此可算得两激光扫过激光接收器的角度，此角度对应的扫过激光接收器的激光距离等于这两个激光发射器上下距离的定长，构成一个由激光发射器到激光接收器所在的圆柱面距离长度为两腰，顶角为两激光扫过激光接收器的角度，底边为两个激光发射器上下距离的定长的等腰三角形，由几何关系可得出激光接收器所在圆柱面到激光定位装置的水平距离，垂直距离为L1。

因两平行斜45°激光的垂直距离为b，如图1，则可知两激光在空间中水平距离也为b；由线2、线3两条线扫描到激光接收器的时间t1可得∠β1=ω×t1，此夹角为两条45°斜线激光扫过激光接收器的旋转角度；∠β1的对边长度为b，此三角形为等腰三角形，则由正弦定理得出激光接收器到激光发射器的水平距离为L1，L1 = b/sin∠β1 × sin（（180-∠β1）/2），每个旋转周期能够获取一次L1距离；由此可以得到激光接收器所在的柱面离激光发射器距离为L1；如图5。

步骤B2、获得了相对于激光发射器的距离后，获取激光接收器相对于激光定位装置的高度，如图6。

线2、线4扫描过激光接收器，产生两个接收信号，其时间间隔为t2，由此可算出扫过激光接收器的角度为∠β2，由于线2线4为激光发射器乙和激光发射器丙发出，相隔180°，扫过的等效角度∠β2’=∠β2-180°，等效与下图，构成一个两激光24扫过激光接收器的距离d1为底边，激光发射器到激光接收器所在圆柱面垂直距离L1为两腰，顶角为β2’组成的等腰三角形，已知L1,β2’由几何关系得出两激光24扫过激光接收器的距离d1，线2线4夹角为45°，故激光接收器与激光发射器的垂直高度h等于d1.由于∠β2’=∠β2-180°，当∠β2’<0时，激光接收器在激光发射器上方，当∠β2’>0时，激光接收器在激光发射器下方。

一竖直线与一斜线扫描过激光接收器（线2、线4），产生两个有时间间隔的接收信号，由此可算出扫过激光接收器的角度，由于线2、线4为激光发射器乙和激光发射器丙发出，相隔半个旋转周期，减去两激光发射器相隔的半个旋转周期后得到等效相交的两条激光扫描线，构成一个由两条激光线扫描过的角度为顶角，激光接收器所在圆柱面到发射器的垂直距离为两腰，两激光线扫描过激光接收器的水平距离为底的等腰三角形，由于线2为斜45°激光线，由几何关系可知构成的等腰三角形的底长度等于激光接收器到激光定位装置的垂直高度，若线2线4扫过激光器的角度减去两激光发射器相隔半个旋转周期的角度为正数，则激光接收器在激光定位装置的上方，反则在下方。

线2、线4扫描过激光接收器，线2、线4之间间隔角度为180°，由线2、线4两条线扫描到激光接收器的时间t2可得激光扫过激光接收器的夹角∠β2=ω×t2，将该角度减180°等效于下图7，d1和d2相等，构成一个正方形；∠β2’=∠β2-180°，由于夹角=45°，激光接收器与激光发射器之间的垂直距离h=d1=d2，由正弦定理得出d2=L1/sin（（180°-∠β2’）/2） ×sin（∠β2’），h = d2，由于线2为斜45°的一字线激光，∠β2’=∠β2-180°，当∠β2’<0时，激光接收器在发射器上方，当∠β2’>0时，激光接收器在发射器下方，由此可以得到激光接收器距离激光发射器的水平距离为L1，垂直距离为h，如图8。

步骤B3、记录上一次扫描得出的位置，由两周期的线4、线4’两条线扫描到激光接收器的时间t3可得激光接收器相对上次扫描位置的角度为：∠β3 = 360°- ω×t3，如图9。

线4与下周期线4’扫描过激光接收器，产生两个接收信号，其时间间隔为t3，由此可算出激光扫过激光接收器的夹角∠β3=ω×t3，此角度为上一次扫描位置与本次扫描位置的夹角。设上一次扫描位置为初始位置，则本次扫描的激光接收器位置为与上次位置夹角为∠β3，水平距离为L1，垂直距离为h。本激光追踪定位装置为逆时针旋转，故∠β3>0时本次扫描位置在上次扫描位置的右边，∠β3<0时本次扫描位置在上次扫描位置的左边。

本激光追踪定位装置为逆时针旋转，故∠β3>0时本次扫描位置在上次扫描位置的右边，∠β3<0时本次扫描位置在上次扫描位置的左边，最终每次扫描可以得出激光接收器位置在发射器位置水平距离L1,垂直距离h，与上次扫描位置呈夹角∠β3的位置。

若转化为空间三维坐标，以发射器为零坐标，初始化位置为x轴位置，则为：xyz：（L1cos∠β3，L1sin∠β3，h），如图10。

本激光追踪定位装置采用单轴旋转方式，不会因震动对水平或垂直坐标造成影响，且激光扫描装置以定长d来排布上下扫描装置实现横向扫描，因而单旋转轴在一旋转扫描周期内就能得到接收装置的空间xyz三坐标，能在高转速的情况下实现高精度的定位，得到更高的数据刷新率；作为高精度空间定位器，可用于如虚拟现实空间定位、空间全息影像展示、无人机精准三维定位、智能物流系统空间定位等方面。

Claims (4)

1.一种激光追踪定位装置，包括激光发射器、一线激光扫描装置和激光接收器，其特征在于：所述激光发射器有四个并依次同轴竖直排列为向下发射的激光发射器甲、向上发射的激光发射器丁、向下发射的激光发射器丙、向上发射的激光发射器乙，所述激光发射器甲和所述激光发射器乙之间从上至下依次设有上反射镜组、齿轮带动的沿水平旋转并与四个所述激光发射器同轴的竖直长轴和下反射镜组，所述激光发射器丁和所述激光发射器丙设于所述长轴内并一上一下依次设置；

所述上反射镜组包括两块倾斜设置于上方盒内的用于将所述激光发射器甲和所述激光发射器丁发射出的两束激光反射90°并向所述上方盒的正右方和正后方射出的反射镜，所述上方盒于所述激光发射器甲和激光发射器丙所发出的激光处均设有一个所述一线激光扫描装置；

所述下反射镜组包括一块倾斜设置在下方盒里的用于将所述激光发射器乙和所述激光发射器丙发射的激光反射90°并向所述下方盒的正左方和正右方射出的反射镜，所述下方盒于所述激光发射器乙和所述激光发射器丙所发出的激光处均设有一个所述一线激光扫描装置；

所述激光接收器内包括用于收电信号并记下时间间隔、计算出四个激光发射器的旋转角速度信息的控制单元，所述激光接收器上还设有红外线光敏二极管；

控制单元包括以下步骤，以获得准确的追踪定位信息：

步骤A、长轴带动四个激光发射器在空间中持续旋转扫描，由甲丁丙乙四个激光发射器发射的四条激光不断以圆周扫描的方式扫过激光接收器，构成一个以激光接收器到四个激光发射器所在轴线水平距离为半径，轴心位置为四个激光发射器形成的圆柱面；

步骤B、由激光发射器乙和激光发射器甲发射的两条斜45°一字线激光扫描过激光接收器，产生两个有时间间隔的接收信号，由此可算得两束激光扫过激光接收器的角度，此角度对应的两束激光扫过激光接收器在圆柱面上的直线距离等于激光发射器甲和激光发射器乙反射后从一线激光扫描装置发散出的两束激光之间的上下距离的定长，构成一个由两激光发射器到激光接收器所在圆柱面水平距离为两腰，顶角为该两束激光扫过激光接收器的角度，底边为该两束激光扫过激光接收器在圆柱面上的直线距离的等腰三角形，由几何关系可得出激光接收器所在圆柱面到激光定位装置的水平距离；

步骤C、由激光发射器丙和激光发射器乙发射的一竖直一字线激光与一斜线一字线激光扫描过激光接收器，产生两个有时间间隔的接收信号，由此可算出扫过激光接收器的角度，由于激光发射器乙和激光发射器丙相隔半个旋转周期，减去两激光发射器相隔的半个旋转周期后得到等效相交的两条激光扫描线，构成一个由两条激光线扫描过激光接收器的角度为顶角，步骤B所得激光接收器所在圆柱面到四个激光发射器所在轴线的水平距离为两腰，两激光扫过激光接收器在圆柱面上的直线距离为底边的等腰三角形，由于激光发射器乙发射的为斜45°激光线，由几何关系可知构成的等腰三角形的底长度等于激光接收器到四个激光发射器形成圆柱的几何中心的垂直高度；若激光发射器乙和激光发射器丙扫过激光接收器的角度减去两激光发射器相隔半个旋转周期的角度为正数，则激光接收器在激光定位装置的上方，反则在下方；

步骤D、激光发射器丙相邻两扫描周期扫过激光接收器，产生有时间间隔的接收信号，由此可算出激光扫过激光接收器后转动的角度，此角度为上一次扫描位置与本次扫描位置的差角；设上一次扫描位置为初始位置，则本次扫描的激光接收器位置为上次位置转动改角度后的位置，且激光接收器与四个激光发射器所在轴线的水平距离与垂直距离都由上述得出；将这些数据转化为空间三维坐标，以四激光发射器重合的中心为零坐标，初始化位置为x轴位置，则可由几何关系换算出激光接收器相对与四个激光发射器所在轴线在空间中的三维坐标。

2.根据权利要求1所述的激光追踪定位装置，其特征在于：一线激光扫描装置内设有一字柱面透镜，所述控制单元为微控制单元。

3.根据权利要求1或2所述的激光追踪定位装置，其特征在于：所有所述激光发射器发射波长为980纳米的不可见激光。

4.根据权利要求3所述的激光追踪定位装置，其特征在于：所述激光发射器丁发射的激光为发散角度为3°的圆锥型激光。

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