CN105824004A - 一种交互式空间定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种交互式空间定位方法和系统，包括扫描模块、接收模块和处理模块，所述接收模块包括光信号接收模块阵列。与现有技术相比，本发明利用经度和纬度交叉先后扫描的方式简化了计算量，同时使得测量仪器的数量变少，结构变得更加简单。利用旋转多面体、扫描振镜和微机电反射镜的方式使得旋转体质量变得很小，有利于减小其转动或振动产生的离心力，增加设备的稳定性。二维度可控微机电反射镜的使用使得转动体的数量进一步减少为一个，进一步简化了设备。闪光灯的周期性闪光可以使系统较好地判断扫描周期，防止出现不同周期之间的数据混乱。出射光线处理模块可以增大或减小出射激光的出射角，扩大了扫描的范围。

Description

一种交互式空间定位方法及系统

技术领域

本发明涉及空间定位领域，更具体地说，涉及一种交互式空间定位方法及系统。

背景技术

空间定位一般采用光学或超声波的模式进行定位和测算，通过建立模型来推导待测物体的空间位置。一般的光学空间定位系统采用激光扫描和光感应器接收的方式来确定物体的空间位置，这一类空间定位系统往往有测量设备较为庞大，测量时间长和无法实时测量的问题，应用范围受到较大的局限。

中国专利CN200810150383.5公开了一种基于双旋转激光平面发射机网络的空间定位方法，三个或三个以上的转台发射机由交流伺服电机带动旋转，头部安装了两个线性激光器的转台发射机向四周空间不断发射激光信号，然后根据以光电池为传感器的接收器模块采集到的激光峰值位置距时间原点OZ脉冲的时间距离，转换成激光平面旋转过的角度，从而推导出待测点所在的激光平面方程，接着进一步得到通过待测点的直线方程，根据多直线相交方法联立方程组，最后以最小二乘法求解此方程组获到待测点坐标位置。该专利较好地解决了实时定位的问题，但由于其测算方法导致转台较多(三个以上)，使设备显得比较冗杂，另外由于其线性测量的方案导致测量时间过长，不适合需要较高精度的测量环境。

发明内容

为了解决当前空间定位系统设备冗杂和测量时间过长的缺陷，本发明提供一种设备简便、测量时间短的交互式空间定位方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种交互式空间定位方法，包括扫描模块、接收模块和处理模块，所述接收模块包括光信号接收模块阵列，其特征在于，所述扫描模块分两个相互垂直的扫描方向对所述接收模块先后进行扫描，所述接收模块将接收到的光信号转化为无线电波并传输至所述处理模块，所述处理模块综合两次扫描的结果计算出接收模块的六自由度信息。

优选地，包括以下步骤：

S1：所述扫描模块发射一束激光面扫描待扫描区域，记扫描开始的时间点为t₀＝0，扫描角度和扫描时间的关系为φ＝f(t)；

S2：所述光信号接收模块阵列接收激光信号，记录接收时间为t_φ＝(t₁、t₂、……、t_n)，并将相关信息传输至所述处理模块；

S3：所述处理模块接收所述光信号接收模块阵列传输的信号；

S4：所述扫描模块发射一束激光面扫描待扫描区域，扫描方向与S1中激光面的扫描方向垂直，扫描开始的时间点记为t’₀，扫描角度和扫描时间的关系为ψ＝g(t-t’₀)；

S5：所述光信号接收模块阵列接收激光信号，记录接收时间为t_ψ＝(t’₁、t’₂、……、t’_n)，并将相关信息传输至所述处理模块；

S6：所述处理模块接收所述光信号接收模块阵列传输的信号；

S7：所述处理模块按照函数：

φ＝f(t_φ)，

ψ＝g(t_ψ-t’₀)

计算出坐标(φ、ψ)阵列，并根据已知的所述光信号接收模块阵列矩阵，逆向标定出所述扫描模块位置和朝向信息，进而得到所述接收模块的六自由度信息。

优选地，进一步包括：

步骤S8：所述处理模块根据S7步骤中计算出的所述接收模块的六自由度信息，判断需要重点扫描的区域，匹配所述处理模块中事先保存的非线性函数φ’、ψ’，或根据需要重点扫描的区域按照事先设定的规则生成非线性函数φ”、ψ”，用非线性函数φ’、ψ’或φ”、ψ”替换S1和S4中用于扫描的函数φ、ψ和S7用于计算的函数φ、ψ，然后重新执行S1到S8。

提供一种交互式空间定位系统，

所述扫描模块包括经度扫描模块和纬度扫描模块，所述经度扫描模块和所述纬度扫描模块之间通过各自的同步装置传递信息，所述经度/纬度扫描模块分别包括发射端嵌入式控制模块、驱动电路、激光源，所述驱动电路与所述激光源、所述发射端嵌入式控制模块分别电性连接，所述发射端嵌入式控制模块与所述同步装置电性连接，

所述接收模块包括接收端嵌入式控制模块、光信号接收模块阵列、接收端无线传输模块、电源模块，所述接收端嵌入式控制模块与所述光信号接收模块阵列、所述电源模块、所述接收端无线传输模块分别电性连接，所述接收端无线传输模块与所述电源模块电性连接，

所述处理模块包括处理端无线传输模块和运算处理器，所述处理端无线传输模块和所述运算处理器电性连接。

优选地，所述经度/纬度扫描模块包括表面具有反射特性并可沿至少一旋转轴旋转的旋转多面体，所述激光源包括激光器和光学整形系统，所述激光器发射激光经所述光学整形系统处理后射向所述旋转多面体，经所述旋转多面体反射后进入待扫描区域，所述光信号接收模块阵列包括至少12个传感器，所述传感器按照任意角度投影至少4个传感器不处于同一个平面的方式排列。

优选地，所述经度/纬度扫描模块包括可沿至少一旋转轴旋转或振动的扫描振镜，所述激光源包括激光器和光学整形系统，所述激光器发射激光经所述光学整形系统处理后射向所述扫描振镜，经所述扫描振镜反射后进入待扫描区域，所述光信号接收模块阵列包括至少12个传感器，所述传感器按照任意角度投影至少4个传感器不处于同一个平面的方式排列。

优选地，所述经度/纬度扫描模块包括微机电反射镜，所述激光源包括激光器和光学整形系统，所述激光器发射激光经所述光学整形系统处理后射向所述微机电反射镜，经所述微机电反射镜反射后进入待扫描区域，所述光信号接收模块阵列包括至少12个传感器，所述传感器按照任意角度投影至少4个传感器不处于同一个平面的方式排列。

优选地，所述微机电反射镜为二维度可控微机电反射镜，所述二维度可控微机电反射镜包括二维转动圆形反射镜，在所述二维转动圆形反射镜位置嵌套构建有两个外环。

优选地，所述扫描模块进一步包括闪光灯，所述闪光灯在扫描周期开始时闪光。

优选地，所述扫描模块进一步包括出射光线处理模块，所述出射光线处理模块可以对出射光线进行处理，改变出射光线的光路。

与现有技术相比，本发明利用经度和纬度交叉先后扫描的方式简化了计算量，同时使得测量仪器的数量变少，结构变得更加简单。非线性扫描的方式节省了大量的扫描时间，扫描仪器可以直接跳过一些目标不可能存在的区域重点扫描目标可能出现的区域，大大提高了扫描的效率和空间定位的实时性。利用旋转多面体、扫描振镜和微机电反射镜的方式使得旋转体质量变得很小，有利于减小其转动或振动产生的离心力，增加设备的稳定性。二维度可控微机电反射镜的使用使得转动体的数量进一步减少为一个，进一步简化了设备。闪光灯的周期性闪光可以使系统较好地判断扫描周期，防止出现不同周期之间的数据混乱。出射光线处理模块可以增大或减小出射激光的出射角，扩大了扫描的范围。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一种交互式空间定位方法及系统原理示意图；

图2是本发明一种交互式空间定位方法及系统扫描模块结构示意图；

图3是本发明一种交互式空间定位方法及系统结构示意图；

图4是本发明一种交互式空间定位方法及系统扫描模块第一实施例示意图；

图5是本发明一种交互式空间定位方法及系统扫描模块第二实施例示意图；

图6本发明一种交互式空间定位方法及系统扫描模块第三实施例示意图；

图7本发明一种交互式空间定位方法及系统扫描模块第四实施例示意图；

具体实施方式

为了解决当前空间定位系统设备冗杂和测量时间过长的缺陷，本发明提供一种设备简便、测量时间短的交互式空间定位方法及系统。

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

图1是本发明一种交互式空间定位方法及系统原理示意图。坐标轴中，横轴为时间t，纵轴为光强lx。当测量开始时，给出一个闪光信号，接收装置接收到远大于或远小于测量激光光强的光信号。该闪光信号主要用于确定测量周期，对闪光光强的要求是光强可以和测量光强明显区分；闪光完成后首先进行经度测量，参照函数φ＝f(t)角度与时间的对应关系进行扫描，其中，函数φ＝f(t)为预先设定的函数。测量过程中，接收装置上接受到测量的激光信号后记录测量时间t_φ。经度测量完成后进行纬度测量，纬度测量的方式与经度测量相似，记开始测量的时间点为t’₀，参照函数ψ＝g(t-t’₀)角度与时间的对应关系进行扫描，接收装置接收到测量的激光信号后记录测量时间t_ψ。利用测量到的数据t_φ和t_ψ代入函数φ＝f(t_φ)和ψ＝g(t_ψ-t’₀)，测算出角度φ和ψ，并根据已知的接收装置阵列矩阵，逆向标定出测量装置位置和朝向信息，进而得到接收装置的六自由度信息。根据计算，得到接收装置的六自由度信息需要至少4个位于不同一平面的传感器传输数据。为了保证在扫描范围内接收装置不论朝向如何均可以测量其六自由度信息，需要保证从任意角度投影至少4个传感器不处于同一个平面，根据计算，至少需要12个传感器位于接收装置上。

请参阅图2—图3，本发明交互式空间定位系统包括扫描模块1、接收模块2和处理模块3。扫描模块1包括经度扫描模块4和纬度扫描模块5，经度扫描模块4和纬度扫描模块5内部结构相同，区分在于扫描方向不同，一般情况下，经度扫描模块4和纬度扫描模块5扫描方向的夹角为90°。经度扫描模块4和纬度扫描模块5之间通过各自的同步装置12传递信息，经度扫描模块4和纬度扫描模块5分别包括发射端嵌入式控制模块11、驱动电路16、激光源13，驱动电路16与激光源13、发射端嵌入式控制模块11分别电性连接，发射端嵌入式控制模块11与同步装置12电性连接。

接收模块2包括接收端嵌入式控制模块22、光信号接收模块阵列21、接收端无线传输模块24、电源模块23，光信号接收模块阵列21用于接收光信号，其包括至少12个光传感器(图未示)，12个光传感器按照从任意角度投影至少4个传感器不处于同一个平面的方式排列在接收模块表面。接收端嵌入式控制模块22与光信号接收模块阵列21、电源模块23、接收端无线传输模块24分别电性连接，接收端无线传输模块24与电源模块23电性连接。

处理模块3包括处理端无线传输模块32和运算处理器31，处理端无线传输模块32和运算处理器31电性连接。处理端无线传输模块32与接收端无线传输模块24之间通过无线方式进行通讯。

在这三个模块之外，可以添加起闪光作用的闪光灯(图未示)。闪光灯受处理模块3或扫描模块1的控制，在扫描周期开始时闪光。

本发明交互式空间定位系统的工作过程为：首先，在扫描开始时闪光灯闪光，同时，经度扫描模块4发射一束激光面扫描待扫描区域，扫描开始的时间点记为t₀＝0，扫描角度和扫描时间的关系为φ＝f(t)，光信号接收模块阵列21接收激光信号，并传递电信号至接收端嵌入式控制模块22，接收端嵌入式控制模块22记录接收时间为t_φ＝(t₁、t₂、……、t_n)，并将相关信息经接收端无线传输模块24传输至处理模块3，处理模块3通过处理端无线传输模块32接收接收端无线传输模块24传输的信号；纬度扫描模块5的扫描的过程与经度扫描模块4基本相同，不同之处在于，纬度扫描模块5扫描的方向与经度扫描模块4扫描的方向垂直，扫描开始的时间点记为t’₀，纬度扫描模块5扫描角度和扫描时间的关系为ψ＝g(t-t’₀)，接收端嵌入式控制模块22记录接收时间为t_ψ＝(t’₁、t’₂、……、t’_n)。运算处理器31按照函数：

φ＝f(t_φ)，

ψ＝g(t_ψ-t’₀)

计算出坐标(φ、ψ)阵列，并根据已知的光信号接收模块21阵列矩阵，逆向标定出扫描模块1的位置和朝向信息，进而得到接收模块2的六自由度信息。

计算出接收模块2的六自由度信息后，运算处理器31根据接收模块2的六自由度信息，判断需要重点扫描的区域，匹配处理模块3中事先保存的非线性函数φ’、ψ’，或根据需要重点扫描的区域按照事先设定的规则生成非线性函数φ”、ψ”。一个常用的规则是根据接收模块2对应的角度范围，加上根据接收模块在扫描时间内可能移动距离的最大值计算出的角度值，得到需要扫描的角度范围。在该扫描角度范围之外可以使扫描模块以最快速度进行扫描，进入该扫描角度范围之后使用正常扫描速度进行扫描。

用非线性函数φ’、ψ’或φ”、ψ”替换上一次扫描中用于扫描的函数φ、ψ和用于计算的函数φ、ψ，然后重新执行扫描。

通过不断更新扫描函数，可以较大地提高扫描效率，提高扫描的精确性。

请参阅图4，图4是扫描模块1第一实施例示意图，由于经度扫描模块4和纬度扫描模块5结构相同，因此这里只描述经度扫描模块4的结构。激光源13包括激光器131和光学整形系统132，激光器131发射激光，激光在光学整形系统132中被整理，形成所需要的光路，例如可以将激光整理成一束激光面。激光沿该光路入射旋转多面体141。旋转多面体141为表面具有反射特性的多面体，其可以沿着至少一个旋转轴进行旋转，当其只有单一旋转轴时，只可以扫描一个方向；若其具有相互垂直的两个旋转轴，则可以调整入射光线使其可以扫描相互垂直的两个方向。入射激光经旋转多面体141表面反射后射出扫描模块1进入待扫描区域，随着旋转多面体141的旋转，射出扫描模块1的光线出射角不断发生变化，进而覆盖待扫描范围。为了进一步改变出射光线的出射角，可以在扫描模块1前加装出射光线处理模块17，对出射光线进行进一步处理。

请参阅图5，图5是扫描模块1第二实施例示意图，扫描模块1第二实施例与第一实施例结构基本相同，不同之处在于，第二实施例用扫描振镜142代替了体积稍大的旋转多面体141。扫描振镜142包括表面具有反射特性的振镜1421，扫描振镜142通过控制振镜1421振动或转动来改变激光源13射来光线的光路。扫描振镜142同样可以沿着至少一个旋转轴进行旋转或振动。

请参阅图6，图6是扫描模块1第三实施例示意图，扫描模块1第三实施例与第一实施例结构基本相同，不同之处在于，第三实施例用微机电反射镜143代替了体积稍大的旋转多面体141。微机电反射镜143包括在一个固定平面中构建有外环结构的可转动圆形反射镜1431，固定平面的外环(图未示)与可转动圆形反射镜1431构建了一个梳状驱动器，可通过控制输入驱动器的电流大小精确地改变可转动圆形反射镜1431与固定平面的倾角，达到1个维度转动控制的效果，控制频率可达千赫兹级别。这种精确的控制和较高的控制频率在非线性扫描中显得尤为重要，不仅可以实现复杂的非线性函数扫描，还可以使得扫描时间进一步缩短，极大地减小扫描误差。

请参阅图7，图7是扫描模块1第四实施例示意图，在第四实施例中，经度扫描模块4和纬度扫描模块5合二为一。两组激光源13互成角度，射出激光分别入射二维度可控微机电反射镜144。二维度可控微机电反射镜144在二维转动圆形反射镜1441位置嵌套构建两个外环，从而实现单个二维转动圆形反射镜1441两个维度的扫描控制。入射激光经二维转动圆形反射镜1441反射后射出扫描模块1进入待扫描区域进行扫描。

与现有技术相比，本发明利用经度和纬度交叉先后扫描的方式简化了计算量，同时使得测量仪器的数量变少，结构变得更加简单。非线性扫描的方式节省了大量的扫描时间，扫描仪器可以直接跳过一些目标不可能存在的区域重点扫描目标可能出现的区域，大大提高了扫描的效率和空间定位的实时性。利用旋转多面体141、扫描振镜142和微机电反射镜143的方式使得旋转体质量变得很小，有利于减小其转动或振动产生的离心力，增加设备的稳定性。二维度可控微机电反射镜144的使用使得转动体的数量进一步减少为一个，进一步简化了设备。闪光灯(图未示)的周期性闪光可以使系统较好地判断扫描周期，防止出现不同周期之间的数据混乱。出射光线处理模块17可以增大或减小出射激光的出射角，扩大了扫描的范围。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种交互式空间定位方法，其特征在于，包括扫描模块、接收模块和处理模块，所述接收模块包括光信号接收模块阵列，所述扫描模块分两个相互垂直的扫描方向对所述接收模块先后进行扫描，所述接收模块将接收到的光信号转化为无线电波并传输至所述处理模块，所述处理模块综合两次扫描的结果计算出接收模块的六自由度信息。

2.根据权利要求1所述的交互式空间定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：所述扫描模块发射一束激光面扫描待扫描区域，记扫描开始的时间点为t₀＝0，扫描角度和扫描时间的关系为φ＝f(t)；

S2：所述光信号接收模块阵列接收激光信号，记录接收时间为t_φ＝(t₁、t₂、……、t_n)，并将相关信息传输至所述处理模块；

S3：所述处理模块接收所述光信号接收模块阵列传输的信号；

S4：所述扫描模块发射一束激光面扫描待扫描区域，扫描方向与S1中激光面的扫描方向垂直，扫描开始的时间点记为t’₀，扫描角度和扫描时间的关系为ψ＝g(t-t’₀)；

S5：所述光信号接收模块阵列接收激光信号，记录接收时间为t_ψ＝(t’₁、t’₂、……、t’_n)，并将相关信息传输至所述处理模块；

S6：所述处理模块接收所述光信号接收模块阵列传输的信号；

S7：所述处理模块按照函数：

φ＝f(t_φ)，

ψ＝g(t_ψ-t’₀)

计算出坐标(φ、ψ)阵列，并根据已知的所述光信号接收模块阵列矩阵，逆向标定出所述扫描模块位置和朝向信息，进而得到所述接收模块的六自由度信息。

3.根据权利要求2所述的交互式空间定位方法，其特征在于，进一步包括：

步骤S8：所述处理模块根据S7步骤中计算出的所述接收模块的六自由度信息，判断需要重点扫描的区域，匹配所述处理模块中事先保存的非线性函数φ’、ψ’，或根据需要重点扫描的区域按照事先设定的规则生成非线性函数φ”、ψ”，用非线性函数φ’、ψ’或φ”、ψ”替换S1和S4中用于扫描的函数φ、ψ和S7用于计算的函数φ、ψ，然后重新执行S1到S8。

4.一种运用权利要求1所述的定位方法的交互式空间定位系统，其特征在于，

所述扫描模块包括经度扫描模块和纬度扫描模块，所述经度扫描模块和所述纬度扫描模块之间通过各自的同步装置传递信息，所述经度/纬度扫描模块分别包括发射端嵌入式控制模块、驱动电路、激光源，所述驱动电路与所述激光源、所述发射端嵌入式控制模块分别电性连接，所述发射端嵌入式控制模块与所述同步装置电性连接，

所述接收模块包括接收端嵌入式控制模块、光信号接收模块阵列、接收端无线传输模块、电源模块，所述接收端嵌入式控制模块与所述光信号接收模块阵列、所述电源模块、所述接收端无线传输模块分别电性连接，所述接收端无线传输模块与所述电源模块电性连接，

所述处理模块包括处理端无线传输模块和运算处理器，所述处理端无线传输模块和所述运算处理器电性连接。

5.根据权利要求4所述的交互式空间定位系统，其特征在于，所述经度/纬度扫描模块包括表面具有反射特性并可沿至少一旋转轴旋转的旋转多面体，所述激光源包括激光器和光学整形系统，所述激光器发射激光经所述光学整形系统处理后射向所述旋转多面体，经所述旋转多面体反射后进入待扫描区域，所述光信号接收模块阵列包括至少12个传感器，所述传感器按照任意角度投影至少4个传感器不处于同一个平面的方式排列。

6.根据权利要求4所述的交互式空间定位系统，其特征在于，所述经度/纬度扫描模块包括可沿至少一旋转轴旋转或振动的扫描振镜，所述激光源包括激光器和光学整形系统，所述激光器发射激光经所述光学整形系统处理后射向所述扫描振镜，经所述扫描振镜反射后进入待扫描区域，所述光信号接收模块阵列包括至少12个传感器，所述传感器按照任意角度投影至少4个传感器不处于同一个平面的方式排列。

7.根据权利要求4所述的交互式空间定位系统，其特征在于，所述经度/纬度扫描模块包括微机电反射镜，所述激光源包括激光器和光学整形系统，所述激光器发射激光经所述光学整形系统处理后射向所述微机电反射镜，经所述微机电反射镜反射后进入待扫描区域，所述光信号接收模块阵列包括至少12个传感器，所述传感器按照任意角度投影至少4个传感器不处于同一个平面的方式排列。

8.根据权利要求7所述的交互式空间定位系统，其特征在于，所述微机电反射镜为二维度可控微机电反射镜，所述二维度可控微机电反射镜包括二维转动圆形反射镜，在所述二维转动圆形反射镜位置嵌套构建有两个外环。

9.根据权利要求4—8任一项所述的交互式空间定位系统，其特征在于，所述扫描模块进一步包括闪光灯，所述闪光灯在扫描周期开始时闪光。

10.根据权利要求4—8任一项所述的交互式空间定位系统，其特征在于，所述扫描模块进一步包括出射光线处理模块，所述出射光线处理模块可以对出射光线进行处理，改变出射光线的光路。