CN111121619A - 一种基于激光测距的空间几何自动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光测距的空间几何自动测量方法，主要涉及全方位转动云台、激光测距模块、姿态传感器、旋转驱动装置、摄像头和控制中心；旋转驱动装置可驱动云台可全方位转动，并带动激光测距模块转动可实现空间三维坐标系的建立，并结合测得的姿态参数和距离参数，可对待测空间几何图形的特征点（能够重构其空间几何图形的点）实现空间坐标定位；再通过空间几何运算可解算出其详细参数，并解决实际的测量需求；控制中心通过摄像头反馈控制使激光斑点自动依次重合于待测图形的特征点，进而实现自动打点测量。通过上诉方式，本发明能够实现复杂环境、危险环境或不可直接到达等特殊环境下各种几何参数的方便、快速、自动、安全测量。

Description

一种基于激光测距的空间几何自动测量方法

技术领域

本发明涉及空间几何参数（距离、面积、体积等）测量领域，尤其是复杂环境、危险环境或不可直接到达等特殊环境下的测量方法及装置。

背景技术

由于激光的能量聚焦性、电磁波的反射、高相干性等良好特性，激光技术开始应用于国内外的一些距离或长度测量。两种常见的测量原理为脉冲法和相位法，较脉冲法测量，相位法的测量时间较长，精度较高。根据激光的相位法测距，目前市场已有的激光测距模块的测量精度已达到1mm。目前市场上具有代表性的激光测距产品有手持激光测距仪和望远镜测距仪，其量程可达几百米，精度达到毫米级。

手持式激光测距仪主要应用于家内装修设计、建筑工地勘测等；望远镜测距仪可应用于建筑施工、户外活动、电力勘测、观景、高尔夫测量等。两者具有良好的测距效果，但也存在一些值得改进的不足。

第一，上述仪器主要测量该仪器到目标点的距离，对于操纵者无法达到的多个目标点之间的几何参数（距离、面积、体积等）无法直接测量，受环境限制较大。第二，上述仪器主要针对一维距离的测量，能简单测量矩形的面积和立方体的体积，对于二维、三维的其他形状的空间参数（面积和体积）测量，便无法完成。第三，由于测量时手持操作，上述仪器存在较大的偶然误差。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提出一种可在复杂环境、危险环境或不可直接到达等特殊环境下实现空间几何参数自动测量的方法。

技术方案：本发明提供的基于激光测距的空间几何测量方法主要涉及全方位转动云台、激光测距模块、姿态传感器、旋转驱动装置、摄像头和控制中心；所述激光测距模块和姿态传感器位置相对静止，放置于所述云台上，使姿态传感器可测算出激光测距模块所发出激光束的当前姿态参数，激光测距模块可测算出云台旋转中心到目标点的一维距离参数；所述旋转驱动装置可驱动所述云台全方位转动，并带动激光测距模块转动可实现以云台旋转中心为原点的空间三维坐标系的建立，并结合测得的姿态参数和距离参数，可对待测目标点在空间三维坐标系中实现坐标定位；对待测空间几何图形的所有特征点（能够重构其空间几何图形的点）在空间三维坐标系中依次进行坐标定位，再通过空间几何运算可解算出待测空间几何图形的详细参数，并解决实际的测量需求；所述摄像头在测量同一几何图形时保持固定，可捕捉待测空间几何图形的特征点，并将图像信息传送给所述控制中心，操作人员可先通过控制中心在捕获的图像画面上标定出待测图形的所有特征点，控制中心并记录其图像坐标（对应于图像画面的二维坐标），然后发出指令控制云台驱动装置驱动云台旋转，并通过摄像头实时反馈激光斑点的图像坐标，反馈控制使其自动依次重合于已经标定的特征点的图像坐标，即实现激光斑点重合于特征点，并获取其空间三维坐标，进而实现自动打点测量。

综上所述，采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明中提供的方法相比较已有的手持式激光测距仪，将其一维的距离测量拓展到空间三维的测量，可以实现多点空间三维坐标定位，基于多点精确的定位进而实现各种空间几何参数的计算和测量，如距离测算、规则物体面积和体积测算、角度测算等。摆脱了手持式激光测距仪手持带来的测量局限，扩大了测量范围和测量量程。尤其是对于一些危险环境、复杂环境以及不可直接到达环境等特殊环境中的几何测量，本发明凸显优势更为明显，不仅其自动测量方式大大减小了测量的工作量，其建模方法还很大程度保障了操作人员的生命安全和身体健康。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明实例简易装置的3D模型图。图1中标号注解：1-云台竖直转动部分、2-激光接收孔、3-竖直转轴、4-激光束、5-竖直转动驱动电机、6-云台水平转动部分、7-云台底座、8-摄像头、9-水平转轴、10-水平转动驱动电机。

图2为本发明中装置三维空间直角坐标系建模及空间坐标定位示意图。

图3为本发明的空间多个特征点描绘几何图形的示意图。

图4为闭环反馈自动寻点控制框图。

具体实施方式

如下以一实例对本发明进行详细说明。

本发明实例装置主要部分如图1所示，包括全方位旋转云台、云台驱动电机、激光测距模块、电子罗盘、摄像头和电脑（图中未展示）。

所述云台分为竖直转动部分和水平转动部分以及底座，激光测距模块、电子罗盘和位于云台竖直转动部分上，所述摄像头位于云台底座；云台底座保持静止；激光测距模块的激光束所在直线通过云台的旋转中心，摄像头在底座固定，且激光测距模块和陀螺仪的位置相对固定；所述驱动电机分为水平和竖直驱动电机，竖直驱动电机和水平驱动电机分别与云台的竖直转动轴和水平转动轴连接；电脑通过通信线缆与其传感器连接。

驱动电机作为云台驱动装置，水平驱动电机和竖直驱动电机分别通过水平转轴和竖直转轴驱动云台转动；云台转动可建模空间三维坐标系，旋转中心就是原点；激光测距模块用于测量并计算出目标点（激光斑点）到原点的距离，电子罗盘用于测量并计算出激光束当前的姿态角，两者可推算出目标点相对空间三维坐标系的准确坐标；摄像头用于捕获待测三角形和激光斑点，将捕获画面通过通信线缆传送给电脑；电脑作为控制中心，可用于操作人员输入云台的控制指令，分析摄像头传回的图形信息，控制云台旋转，读取激光测距模块和电子罗盘的数据并进行相应的计算，计算出特征点的空间三维坐标，进而再推算出待测的几何图形的几何参数（距离、面积、体积等），实现闭环自动测量。

下面介绍本发明实例装置的工作原理和过程。

首先是特征点的三维空间坐标定位，参见图2。以全方位转动云台的旋转中心为原点建立空间直角坐标系，则待测特征点为该坐标系中一点，使激光束所在直线通过坐标原点和特征点。以原点为起点、特征点为终点的空间向量的姿态角可由电子罗盘实时测算得出，向量模长可直接由激光测距模块测算获得，进而容易求出向量末端特征点对于空间直角坐标系中的空间坐标。

参见图3，一般的规则空间几何图形可以通过其特征点对其进行重构，如三角形上取三个顶点可以对其重构，因为空间中三点可以确定一个三角形，同理，其他空间图形也可以通过特征点进行重构。通过本发明实例装置的云台带动激光测距模块对待测的空间几何图形特征点进行打点测量，进行空间直角坐标系下的定位，便可以通过空间几何相关公式的计算，得出该几何图形的具体参数，如距离、面积、体积、角度、周长等。

借助摄像头实现闭环反馈控制的自动打点测量控制过程参见图4，操作人员先通过电脑标定图像上的特征点，记录其的图像坐标。然后电脑实时分析激光斑点与当前待测特征点的图像坐标的位置关系，根据其偏差自动调节其驱动电机的控制指令，调节驱动电机的转速和转向，使云台带动激光测距模块改变姿态，进而调节激光斑点的位置，使其移动到待测的特征点处。当激光斑点与当前待测特征点的图像坐标重合或偏差小到一定范围内，则实现激光斑点移动到待测的特征点处，便可打点测量，获取其空间坐标，直到所有特征点测量完成。

下面以测量空间三角形的几何参数为例对测量过程进行介绍：

步骤1：根据具体待测的空间几何图形，选取合适的特征点，如待图形为三角形，其特征点可以选为三角形上的三个顶点。

步骤 2：操作人员通过电脑在摄像头传回的图像中标定三角形的特征点，通过电脑记录三个特征点的图像坐标（像素点位置），然后按如下步骤依次获取特征点的空间坐标；

步骤3：电脑实时分析激光斑点图像坐标与当前待测特征点图像坐标的位置关系，并实时发出对应的控制指令；

步骤4：云台根据实时的控制指令转动，带动激光测距模块的激光斑点移动到当前待测的特征点；

步骤5：电脑读取电子罗盘的姿态数据和激光测距模块的距离数据，进而计算出特征点相对于云台旋转中心的三维空间坐标；

步骤6：在电脑的控制下，自动重复步骤3~5，可获得三个特征点的空间三维坐标，然后进入下一步。

步骤7：电脑可根据三个特征点的三维空间坐标重构待测三角形的几何特征，进而计算出待测三角形的具体参数（内角、边长、高、周长、面积等）。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或者等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关技术领域，均同理包括在本发明专利的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于激光测距的空间几何测量方法，其特征在于系统主要涉及全方位转动云台、激光测距模块、姿态传感器、旋转驱动装置、摄像头和控制中心；

所述激光测距模块和姿态传感器位置相对静止，放置于所述云台上，使姿态传感器可测算出激光测距模块所发出激光束的当前姿态参数，激光测距模块可测算出云台旋转中心到目标点的一维距离参数；

所述旋转驱动装置可驱动所述云台全方位转动，并带动激光测距模块转动可实现以云台旋转中心为原点的空间三维坐标系的建立，并结合测得的姿态参数和距离参数，可对待测目标点在空间三维坐标系中实现坐标定位；

对待测空间几何图形的所有特征点（能够重构其空间几何图形的点）在空间三维坐标系中依次进行坐标定位，再通过空间几何运算可解算出待测空间几何图形的详细参数，并解决实际的测量需求；

所述摄像头在测量同一几何图形时保持固定，可捕捉待测空间几何图形的特征点，并将图像信息传送给所述控制中心，操作人员可先通过控制中心在捕获的图像画面上标定出待测图形的所有特征点，控制中心并记录其图像坐标（对应于图像画面的二维坐标），然后发出指令控制云台驱动装置驱动云台旋转，并通过摄像头实时反馈激光斑点的图像坐标，反馈控制使其自动依次重合于已经标定的特征点的图像坐标，即实现激光斑点重合于特征点，并获取其空间三维坐标，进而实现自动打点测量。

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