CN100580374C - 激光测定方法及激光测定系统 - Google Patents

Abstract

一种激光测定方法，在具备旋转照射激光束的旋转激光装置和包含至少一个接受激光束的受光部的至少一个受光装置的激光测定系统中，上述旋转激光装置射出至少一个倾斜的至少两个扇形的激光束，上述受光装置至少在3处已知点接受上述激光束，根据上述受光部受光而形成的受光信号求出对上述旋转激光装置的仰角，并基于3处已知点的仰角和位置数据测定上述旋转激光装置的设置位置。

Description

激光测定方法及激光测定系统

技术领域

本发明涉及一种激光测定方法及激光测定系统，通过旋转照射激光束，形成水平基准面或者相对水平基准面倾斜预定角度的基准平面，并接受激光束而可进行位置测定。

背景技术

一直以来，作为旋转照射激光束并形成基准面的典型系统，包括有接受来自设置在已知点的旋转激光装置及设置在测定点的旋转激光装置的激光束的受光装置。

旋转激光装置是旋转照射光束截面为点状的激光束而形成基准面的装置。例如，将激光束旋转照射到水平面内而形成水平基准面；将激光束旋转照射到竖直面内而形成竖直基准面；将激光束旋转照射到倾斜面内而形成倾斜基准面。

受光装置具备接受激光束并进行检测的受光部，基于该受光部检测的激光束测定水平基准位置、竖直基准位置等。

旋转激光装置旋转照射激光束，并进行所需要的测定时，旋转激光装置的设置精度直接影响其测定值。因而，将旋转激光装置高精度地设置在已知点上是非常重要，但是，正确的设置需要操作的熟练度而较难实现，并且，虽说设置旋转激光装置在已知点上是进行测定的前提，但是根据实际情况，有时会存在没有设置旋转激光装置的合适的已知点，或者存在无法将旋转激光装置设置在已知点的环境，这种情况下，出现测定本身很困难的问题。

而且，即使在可以设置的场合，也没有验证旋转激光装置是否正确设置的有效方法，并且，当旋转激光装置被倾斜设置时产生相对已知点的误差，但是也没有检测误差的有效方法，再则，也没有针对设置后因后续的各种原因出现位置偏移时等错位进行检测的有效方法。

作为旋转照射激光束，形成水平基准面或者相对水平基准面倾斜预定角度的基准平面，并且，可以利用受光装置接受激光束并进行位置测定的激光测定系统，在特开2002-39755号公报中已有揭示。

发明内容

本发明目的在于提供一种可以在任意点上设置旋转激光装置，进行正确的测定，并且，不受旋转激光装置的倾斜等设置状态的影响，还有，在设置旋转激光装置后发生位置偏移时，可以确认、补正位置偏移的激光测定系统。

为了达到上述目的，本发明的激光测定方法包括以下步骤：在具备旋转照射激光束的旋转激光装置和包含至少一个接受激光束的受光部的至少一个受光装置的激光测定系统中，上述旋转激光装置射出至少一个倾斜的至少两个扇形激光束的步骤；上述受光装置至少在3处已知点接受上述激光束的步骤；根据上述受光部接受的激光束所形成的受光信号求出对上述旋转激光装置的仰角的步骤；以及基于3处已知点的仰角和位置数据测定上述旋转激光装置的设置位置的步骤。

并且，本发明的激光测定系统具备旋转照射激光束的旋转激光装置和接受激光束的至少一个受光装置，上述旋转激光装置具有射出至少一个倾斜的至少两个扇形激光束的激光投射器、上述受光装置具有接受上述扇形激光束的至少一个受光部、上述受光装置至少设置在3处已知点上，以根据上述受光部接受的激光束所形成的受光信号运算出对上述旋转激光装置的仰角，且基于3处已知点的仰角和位置数据运算出上述旋转激光装置的设置位置，并且在本发明的激光测定系统中，上述受光装置具有GPS位置测定装置，用该GPS位置测定装置测定上述受光装置的位置。

依据本发明，在具备旋转照射激光束的旋转激光装置和包含至少一个接受激光束的受光部的至少一个受光装置的激光测定系统中，执行上述旋转激光装置射出至少一个倾斜的至少两个扇形激光束的步骤、上述受光装置至少在3处已知点接受上述激光束的步骤、根据上述受光部接受的激光束所形成的受光信号求出对上述旋转激光装置的仰角的步骤、以及基于3处已知点的仰角和位置数据测定上述旋转激光装置的设置位置的步骤，因此不需要将旋转激光装置设置在已知点上而提高作业性能，消除设置时产生的误差，并且，在后面发生旋转激光装置的位置偏移时，也可以修正设置位置。

附图说明

图1是表示本发明实施例的简要示图。

图2是本发明的实施例采用的旋转激光装置的剖视图。

图3是表示该旋转激光装置的激光投射器的剖视图。

图4是本发明实施例采用的受光装置的主视图。

图5是表示本发明实施例的简要框图。

图6是表示本发明实施例的作用的透视图。

图7是表示本发明实施例的作用的主视图。

图8是表示本发明实施例的作用的侧视图。

图9是表示本发明实施例的作用的平面示图。

图10(A)、图10(B)是表示受光装置的受光信号的说明图。

图11是本发明实施例的距离测定的说明图。

图12是表示本发明实施例的作用的说明图。

图13是表示本发明的另一实施例的简要示图。

图14(A)～图14(R)是表示本发明实施例采用的扇形光束形状的说明图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的最佳实施方式。

首先，图1～图3中，就本实施例采用的旋转激光装置、受光装置进行简要说明。

旋转激光装置1旋转照射多个扇形激光束，受光装置2具备受光单元41(后述)，该受光单元41具备接受上述扇形激光束的至少一个(图中为两个)受光部。

三脚架5大致与已知点X大致一致地设置，在该三脚架5上安装上述旋转激光装置1。该旋转激光装置1具有主体部6与在该主体部6上以自由旋转方式设置的转动部7，从该转动部7旋转照射激光束3。上述受光装置2用所需的支持部件保持。图1表示在野外作业时的实施状态，该受光装置2设置在可由操作者手持的测杆8上。

上述激光束3由多个扇形光束(扇形激光束)构成，例如，激光束3由竖直的扇形光束3a、3b和相对于该扇形光束3a、3b在对角线上以θ角倾斜的扇形光束3c构成为N字形。上述扇形光束3a、3b还各自以α的扩展角按±δ的方向照射(参照图6)。而且，该扇形光束3a、3b并不一定是竖直的，该扇形光束3a、3b只要相互平行并相对于水平面形成交叉即可。

下面参照图2、图3说明上述旋转激光装置1。

本实施例的旋转激光装置1包括外壳10和具有投光轴11(后述)的激光投射器12，该激光投射器12以可倾斜移动的方式容纳在上述外壳10内。

截头呈圆锥形的凹部13形成在上述外壳10的上表面中央，上述激光投射器12沿上下方向贯通上述凹部13的中央。上述激光投射器12可倾斜地经由球面底座14由上述凹部13支撑。上述转动部7在上述激光投射器12的上部自由旋转地设置，在该转动部7上设有五棱镜15。

在上述转动部7上设有扫描齿轮16，上述激光投射器12上设置着具有驱动齿轮17的扫描马达18，上述转动部7由上述扫描马达18经由上述驱动齿轮17、扫描齿轮16旋转驱动。

在上述外壳10的内部，容纳着设于上述激光投射器12周围的两组倾斜机构19(倾斜机构19中的一个未图示)，该倾斜机构19具有倾斜用马达21、其旋转中心在上述激光投射器12平行方向的倾斜用螺杆22、以及与该倾斜用螺杆22螺纹啮合的倾斜螺母23。

上述激光投射器12具有两根相对上述投光轴11沿正交方向延伸出的倾斜臂24(一根倾斜臂24未图示)，而且这两个倾斜臂24彼此正交。在倾斜臂24的前端还突出设置着截面呈圆形的销，上述倾斜臂24经由上述销与上述倾斜机构19相扣合。

上述倾斜用马达21经由驱动齿轮25、倾斜用齿轮26可以使上述倾斜用螺杆22转动。通过该倾斜用螺杆22的转动，使上述倾斜螺母23上下移动，通过该倾斜螺母23的上下移动，使上述倾斜臂24斜动，进而使上述激光投射器12倾斜。图中未示的另一组倾斜机构按照与上述倾斜机构19相同的机构，使上述激光投射器12在与上述倾斜机构19倾斜的方向成正交的方向上倾斜。

在上述激光投射器12的中间部，设有与上述倾斜臂24平行的固定倾斜传感器27和相对上述倾斜臂24呈直角方向的固定倾斜传感器28。使用上述固定倾斜传感器27、固定倾斜传感器28，可以检测出上述激光投射器12的任意方向的倾角，基于上述固定倾斜传感器27、固定倾斜传感器28的检测结果可以对激光投射器12进行控制，即用两组上述倾斜机构19，经由两根上述倾斜臂24使上述激光投射器12倾斜，或常时保持竖直。而且，可以使激光投射器12向任意角度倾斜。

参照图3说明该激光投射器12及上述转动部7。

由配置在上述投光轴11上的激光束发光部31、准直透镜32等构成投射光学系统33，该投射光学系统33收容在上述激光投射器12内。

上述转动部7具有棱镜架34，该棱镜架34对上述五棱镜15和设于该五棱镜15下侧的衍射光栅(BOE)35进行保持。

从上述激光束发光部31发出的激光束3通过上述准直透镜32成为平行光束，入射到上述衍射光栅35。入射的激光束3通过上述衍射光栅35分割形成上述三个扇形光束3a、3b、3c。这些扇形光束3a、3b、3c通过上述五棱镜15向水平方向偏转，并从上述棱镜架34的投射窗36照射。

上述衍射光栅35可以配置在上述激光束3由上述五棱镜15偏转后所透过的位置上。而且图2中，37表示的是检测上述转动部7的转动角的编码器、38表示的是圆筒状透明盖。

上述激光束发光部31用发光控制部39控制其发光状态，例如，通过调制上述激光束3等方法，可以在该激光束3上叠加通信数据，从而可以用编码器37检测的上述旋转激光装置1的照射旋转方向的位置信息等数据，与上述受光装置2进行光通信。

还有，通信设备可为另外设置的无线通信机，并通过无线通信方式向上述受光装置2传送数据。

下面参照图4、图5说明该受光装置2。

该受光装置2中设有：检测上述扇形光束3a、3b、3c用的受光单元41、显示部42、指标显示部43、例如蜂鸣器等的警告部44、例如输入按键等的输入部45。上述受光单元41具备多个例如上下两个激光二极管等的发光元件构成的受光部41a、41b，该受光部41a与上述受光部41b之间的距离D为已知的值。而且，上述受光装置2还内置有存储部46、运算部47、受光信号处理电路48、受光信号输出部49。

在上述显示部42中显示出，例如连接上述激光束3的转动中心点和上述受光部41的直线与水平基准面间形成的角度(仰角γ(参照图8))、上述受光装置2与上述旋转激光装置1间的距离。并且，上述指标显示部43具备中央线和相对该中央线对称而配置的三角形结构的指标，上述激光束3的扫描位置在水平中心时在对中央的线、水平中心上侧或者下侧的任一情况下，对应的指标点亮。

上述存储部46中存放了基于来自上述受光单元41的信号计算后述的仰角γ的运算程序、计算上述旋转激光装置1与上述受光装置2间距离的运算程序、特定上述旋转激光装置1的位置的运算程序等在测量时所需要的运算程序。

接受来自上述受光单元41的所述扇形光束3a、3b、3c时的受光信号输入到上述受光信号处理电路48，并检测有无受光的同时进行A/D变换等所需要的信号处理，并且抽出叠加在上述扇形光束3a、3b、3c上的通信数据并加以分析，将其结果输入到上述运算部47中。如后所述，该运算部47基于来自上述受光信号处理电路48的信号，计算出仰角γ，而且根据上述受光部41a与受光部41b间的位置关系，计算出上述旋转激光装置1和受光装置2间的距离L，或上述测杆8的倾斜度。并且上述运算部47将运算结果输入到上述存储部46中，或显示在上述显示部42上。又，经由上述接受光信号输出部49将运算结果以光通信的方式传送到上述旋转激光装置1。

此外，上述已知点X等的位置信息也可以由上述输入部45提前输入到上述存储部46。上述旋转激光装置1作为通信设备具有无线通信机时，在上述受光装置2中设有无线接收机。

上述受光信号输出部49将上述运算部47运算后得到的结果输出。上述受光信号输出部49的输出信号作为驱动上述指标显示部43的信号加以使用。

以下，就上述受光装置2中的、上述旋转激光装置1与上述测杆8间的距离的运算，以及上述受光装置2的高度的运算等进行说明。

通过三脚架5将上述旋转激光装置1设置在规定点上，基于上述固定倾斜传感器27和固定倾斜传感器28的检测结果驱动上述倾斜机构19，并经过调整使上述激光投射器12成为竖直。

上述测杆8设置在测定点上。在该测杆8的预定高度，即距离地面已知高度处安装了上述受光装置2。因而，上述测杆8的下端到上述接受光部41a的距离是已知的。并且由上述输入部45向该受光装置2输入了上述受光部41a与受光部41b间的距离D和上述测杆8的下端到上述光接受光部41a的距离，距离D等的数据经由上述运算部47储存到上述存储部46中。

上述受光装置2的高度，即相对上述受光部41a、41b的水平基准面的高低差、上述旋转激光装置1与受光装置2间的距离L以及对上述受光部41a、41b的仰角γ1、γ2是基于该受光部41a、41b的受光信号的接受状态及上述距离D来计算。

此外，上述仰角γ1、γ2是上述运算部47基于上述受光部41a、41b分别接受上述扇形光束3a、3b、3c所发出的受光信号来算出。上述警告部44在上述受光单元41脱离上述激光束3的受光范围时等，通过蜂鸣器等发出警告提醒操作者注意。

下面参照图6说明仰角γ和相对上述受光装置2位置处的水平基准面的高低差。图6示出了上述受光部41与上述激光束3间的关系，H高度是基准面的高度即上述激光束3的中心高度，即表示水平位置。

该激光束3旋转照射，且该激光束3横切上述受光单元41的例如上述受光部41a。在此，由于上述激光束3由上述扇形光束3a、3b、3c构成，即使上述受光部41a是呈点状的光接受元件也可以受光，并可以不对齐上述受光装置2的位置。

上述激光束3横切上述受光部41a，从而使上述扇形光束3a、3b、3c分别通过上述受光部41a，并从该受光部41a发出对应于各上述扇形光束3a、3b、3c的三个受光信号51a、51b、51c。

上述受光部41a相对上述激光束3位于图6～图9所示的A点时，即上述受光部41a位于上述激光束3的中心时的受光信号由图10(A)示出，上述三个受光信号51a、51b、51c中的两个信号之间的时间间隔t(＝t0/2)分别相等。还有，上述转动部7由定速旋转驱动，图中，T表示上述激光束3旋转一周的周期。

上述受光部41a偏离上述激光束3的中心，位于图6～图9所示的B点时，上述受光信号51a、51b、51c中两个信号之间的时间间隔不同(参照图10(B))。图7中，上述受光部41a从图的右侧向左侧相对移动(激光束3从图的左侧向右侧移动)，使上述受光信号51a和受光信号51c间的时间间隔t变短，该受光信号51c和受光信号51b间的间隔变长。

而且，由于图6所示的激光束3的形状与上述受光装置2和转动部7之间的距离无关的相似形状，通过求出时间间隔比就可以计算出在无维(dimensionless)图形中的通过位置。因而，有关上述受光部41a的、到以上述转动部7为中心的B点位置的仰角γ1可以由以下公式(1)计算。

γ1＝δ(1-2t1/t0)tanθ…(1)

同样地，上述受光部41b的仰角γ2可以由以下公式(2)计算。

γ2＝δ(1-2t2/t0)tanθ…(2)

另外，根据仰角γ1、γ2和上述距离D，可以由以下公式计算上述旋转激光装置1和受光装置2间的距离L。

参照图11说明距离L的计算方式。

设水平位置到上述受光部41a的距离为d1、到上述受光部41b的距离为d2时，可根据以下公式计算距离L。

d1＝Ltan(γ1)…(3)

d2＝Ltan(γ2)…(4)

D+d1＝d2     …(5)

因而

L＝D/(tan(γ2)-tan(γ1))…(6)

另外，通过求出的距离L，可用公式(3)、公式(4)计算出到上述受光部41a、受光部41b的高低差d1、d2。

如上所述，将由多个扇形光束(扇形激光束)构成的、例如竖直的扇形光束3a、3b及相对于该扇形光束3a、3b在其对角线成上以θ角倾斜的扇形光束3c所构成的N字形的激光束3，等速旋转照射，并由上述受光装置2接受激光束3，从而能够测定上述旋转激光装置1和受光装置2间的距离、受光装置2的高度d1、d2及仰角γ。

由于上述旋转激光装置1的设置点是已知的，可用上述受光装置2进行测定。

下面，参照图12说明设置上述旋转激光装置1时的工作方式。

如上所述，上述受光装置2中至少有一个受光部41，从而可测定仰角γ。并且，将上述受光装置2设置在已知点上，可从一个或一处受光装置2得到三维坐标(x，y，z)，进而可以求出上述旋转激光装置1和上述受光装置2间的仰角ω。再者，所谓已知点就是预先测定并设置好的，在那时测量后所求出的点等。

将上述旋转激光装置1设置在所需位置(X，Y，Z)，至少将三个受光装置2设置在已知点上，或在3处已知点上依次设置受光装置2，从而获得已知点的3处坐标值、仰角，即(x1，y1，z1，ω1)、(x2，y2，z2，ω2)、(x3，y3，z3，ω3)。3处已知点的坐标及仰角的数据被发送到上述旋转激光装置1，或这些数据经由该旋转激光装置1再集中到所需的受先装置2。

设有上述旋转激光装置1的坐标(未知点)，可以根据三个已知的坐标、仰角，用以下公式求出。

(X-x1)²+(Y-y1)²＝[(Z-z1)/tanω1]²

(X-x2)²+(Y-y2)²＝[(Z-z2)/tanω2]²

(X-x3)²+(Y-y3)²＝[(Z-z3)/tanω3]²

因而，可以正确地求出上述旋转激光装置1的设置点的坐标，其后，可在任意点上设置上述受光装置2进行测定。

上述旋转激光装置1未设置在已知点，也能进行测量或确认上述旋转激光装置1的设置位置，且产生误差时也可以校正。

在上述受光装置2侧若求出三处的坐标及仰角(x1，y1，z1，ω1)、(x2，y2，z2，ω2)、(x3，y3，z3，ω3)，则可在上述受光装置2侧计算上述旋转激光装置1的设定位置，上述旋转激光装置1仅旋转照射激光束即可。

另外，上述旋转激光装置1的设置位置的计算，只要有该旋转激光装置1和上述受光装置2之间的通信功能，就可以在上述旋转激光装置1侧的运算部进行，也可以在受光装置2侧的运算部进行。并且，通过在3处以上已知点上设置受光装置2来求出旋转激光装置1的设置位置，可以提高精度。

图13示出受光装置2具备GPS位置测定装置52时的情况。

可在上述受光装置2侧设置GPS位置测定装置52。该GPS位置测定装置52例如可设在上述测杆8的上端，上述GPS位置测定装置52与上述测杆8下端之间的距离是已知的。通过设置上述GPS位置测定装置52，可以测定该GPS位置测定装置52的绝对平面位置，根据该GPS位置测定装置52测定的位置和设置上述旋转激光装置1的已知点的位置，可计算上述受光装置2和旋转激光装置1之间的距离，并且可以用上述受光装置2测定上述测杆8的倾斜度，由于该测杆8的下端与GPS位置测定装置52间的距离是已知的，可补偿因测杆8的倾斜而造成的误差，可进行高精度的距离测定。

另外，在上述受光装置2具备上述GPS位置测定装置52的情况下，测定上述旋转激光装置1的设置位置时，无需将上述受光装置2设置在已知点上。即，由获得来自上述GPS位置测定装置52的测定结果的情况，可得到与将上述受光装置2设置在已知点时等效的状态，可正确计算出上述旋转激光装置1的设置位置。

而且，如上所述，如果受光装置2具备两个受光部41，则可以测定旋转激光装置1和受光装置2之间的距离，由于用上述编码器37可知照射方向，只要知道上述受光装置2的至少一处设置位置即可。

此外，多个扇形光束构成的形状也可以不是N字形，只要至少有一个扇形光束倾斜，且已知倾角等形状的相关值即可。可为图14(A)～(R)中例示的形状。

Claims (3)

1.一种激光测定方法，包括以下步骤：在具备旋转照射激光束的旋转激光装置和包含至少一个接受激光束的受光部的至少一个受光装置的激光测定系统中，上述旋转激光装置射出至少一个倾斜的至少两个扇形的激光束的步骤；上述受光装置至少在3处已知点接受上述激光束的步骤；根据上述受光部接受的激光束所形成的受光信号求出对上述旋转激光装置的仰角的步骤；以及基于3处已知点的仰角和位置数据测定上述旋转激光装置的设置位置的步骤。

2.一种激光测定系统，该系统具备旋转照射激光束的旋转激光装置和接受激光束的至少一个受光装置；上述旋转激光装置设有射出至少一个倾斜的至少两个扇形激光束的激光投射器，上述受光装置具备接受上述扇形激光束的至少一个受光部，上述受光装置至少设置在3处已知点上，以根据上述受光部接受的激光束所形成的受光信号运算出对上述旋转激光装置的仰角，且基于3处已知点的仰角和位置数据运算出上述旋转激光装置的设置位置。

3.如权利要求2所述的激光测定系统，其特征在于，上述受光装置设有GPS位置测定装置，用上述GPS位置测定装置测定上述受光装置的位置。

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