CN102927976B - 一体化空间信息测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一体化空间信息测量方法与装置，相应的方法包括通过已知空间点计算获得测量装置的当前三维坐标；通过所述测量装置的当前三维坐标计算获得待测点的三维坐标。本发明提供的一体化空间信息测量方法与装置能够根据一个空间已知点三维坐标快速测量待测点的三维坐标，进而快速测量出未知区域的空间三维形态，提高矿山领域测量工作的效率，具有测量方便、易于携带和后期数据处理较简单的特点。

Description

一体化空间信息测量方法与装置

技术领域

本发明涉及一体化空间信息测量方法与装置，属于空间信息测量技术领域。

背景技术

目前，在矿山空间信息测量技术中常见的测量手段主要包括经纬仪、水准仪、全站仪、GPS以及钢卷尺或皮尺等。在实际运用过程中，上述技术存在一定的问题。首先，测量过程复杂度高，需要专业测绘人员完成，且耗时很长，不利于工作效率的提高。另外，这些仪器便携性较差，灵活度较低，后期数据处理复杂，系统的集成化作业程度不高，难以实现矿山测量的全程自动化、集成化，不能满足矿山的复杂应用需求。

为提高矿山测量领域的技术水平和作业效率，适应矿山智能化开采对矿山测量智能化的要求，亟需研发一种能够快速测量空间点三维坐标的装置，通过简单的点测、划动等方式来对目标体进行快速点式、线式测量，从而方便快捷的获得矿山井下空间结构的形态信息。

发明内容

本发明为解决现有的矿山空间信息测量技术中存在的测量过程较复杂、工作效率较低、便携性较差和后期数据处理较复杂的问题，提供了一种一体化空间信息测量方法与装置。为此，本发明提供了如下的技术方案：

一体化空间信息测量方法，包括：

通过已知空间点计算获得测量装置的当前三维坐标；

通过所述测量装置的当前三维坐标计算获得待测点的三维坐标。

一体化空间信息测量装置，包括：

当前坐标获取单元，用于通过已知空间点计算获得测量装置的当前三维坐标；

待测坐标获取单元，用于通过所述测量装置的当前三维坐标计算获得待测点的三维坐标。

本发明提供的一体化空间信息测量方法与装置能够根据一个空间已知点的三维坐标快速测量其他未知点的三维坐标，进而快速测量出未知区域的空间三维坐标信息，提高矿山领域测量工作的效率，具有测量方便、易于携带和后期数据处理较简单的特点。

附图说明

图1为本发明的具体实施方式提供的一体化空间信息测量方法的原理示意图；

图2为本发明的具体实施方式提供的一体化空间信息测量方法的流程示意图；

图3为本发明的具体实施方式提供的计算A点到B点的坐标增量的原理示意图；

图4为本发明的具体实施方式提供的一体化空间信息测量装置的结构示意图；

图5为本发明的具体实施方式提供的一体化空间信息测量装置的线路设计结构框图；

图6为本发明的具体实施方式提供的一体化空间信息测量装置的供电单元的电路结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的具体实施方式提供了一种一体化空间信息测量方法，其基本原理如图1所示，通过已知空间点三维坐标，计算出测量装置自身空间坐标位置，进而测量并计算出待测点的空间三维坐标。下面结合说明书附图作详细说明，如图2所示，相应的一体化空间信息测量方法包括：

步骤21，通过已知空间点计算获得测量装置的当前三维坐标。

具体的，若已知空间点的三维坐标为(X₀，Y₀，Z₀)，则测量装置的当前三维坐标为(X₁，Y₁，Z₁)，其中X₁=X₀+ΔX₁，Y₁=Y₀+ΔY₁，Z₁=Z₀+ΔZ₁，相应的ΔX₁、ΔY₁和ΔZ₁分别表示测量装置的在三维方向上到已知空间点的坐标增量。

步骤22，通过所述测量装置的当前三维坐标计算获得待测点的三维坐标。

具体的，当计算获得测量装置的三维坐标为A(X₁，Y₁，Z₁)后，对于该三维坐标系内的任一点B，则需要得B点对于A点的水平投影的距离、直线距离、水平倾角和空间方位角，如图3所示，具体算法如下：

假设A点与B点之间的直线距离为L，则直线AB在相应的三维坐标系中的垂直投影为：

l=L·sinα

则B点的坐标在相应的三维坐标系中相对于A点的坐标增量为：

Δx=l·cosθ=L·cosα·cosθ

Δy=l·sinθ＝L·cosα·sinθ

Δz=L·sinα

其中，l表示测量装置与待测点之间的水平投影的距离，L表示测量装置与待测点之间的直线距离，α表示测量装置与待测点之间的水平倾角，θ表示测量装置与待测点之间的空间方位角。

因此可知，在相应的坐标系内任意一点的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=x_0+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δx}}_i\\ y_i=y_0+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δy}}_i\\ z_i=z_0-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δz}}_i\end{array}\right.$

其中，X₀、Y₀和Z₀分别表示已知点的坐标，Δx_i、Δy_i和Δz_i分别表示任意一点在相应的坐标系内相对于已知点的坐标增量，和分别表示坐标增量累计。在获取预定量的点的坐标信息后，即可获得相应的空间信息。

采用本具体实施方式提供的技术方案，能够根据一个空间已知点三维坐标快速测量待测的未知点的三维坐标，进而获取未知区域的空间三维坐标信息，提高矿山领域测量工作的效率，具有测量方便、易于携带和后期数据处理较简单的特点；并且本具体实施方式提供的技术方案能够方便快捷地用于井下工程结构实际测量；同时，将一体化空间信息测量装置与矿山作业过程有机结合，可以形成一体化的井下作业体系，从而大幅提高矿山生产和工艺设计效率。

本发明的具体实施方式还提供了一种一体化空间信息测量装置，如图4所示，包括：

当前坐标获取单元41，用于通过已知空间点计算获得测量装置的当前三维坐标；

被测坐标获取单元42，用于通过所述测量装置的当前三维坐标计算获得待测点的三维坐标。

优选的，在被测坐标获取单元42中可以包括：

坐标增量计算子单元，用于根据以下公式计算获得所述测量装置到所述待测点的坐标增量：

Δx=l·cosθ=L·cosα·cosθ

Δy=l·sinθ＝L·cosα·sinθ

Δz=L·sinα

其中，l表示测量装置与待测点之间的水平投影的距离，L表示测量装置与待测点之间的直线距离，α表示测量装置与待测点之间的水平倾角，θ表示测量装置与待测点之间的空间方位角。

具体的，本具体实施方式提供的一体化空间信息测量装置可实现空间点坐标定位需要的三个关键参量的测量，其中一个是空间点到装置之间的直线距离，另外两个分别是装置在指向朝向点方向时候的方位角和针对水平的倾角。

已知上述三个参量后就能够通过计算得到空间未知点的坐标，为得到上述三种已知参量，本装置中集成了一个高精度电子罗盘和一个倾角传感器，可实现方位角和倾角的测量；并且还集成了一个小型的激光测距传感器，实现装置到待测点之间距离的测量。另外还包含处理器及接口单元，实现各传感器数据的采集、处理、存储及通信等功能的集成，形成可应用的产品装置。

本具体实施方式提供的一体化空间信息测量装置的线路设计结构如图5所示，其中的主控选用ARM9处理器单元，采用嵌入式系统设计，优化软件开发设计并实现操控界面图形化，简化操作增强可视性。本装置中的电子罗盘传感器、倾角传感器、激光测距传感器与处理器核心单元之间通过RS232串口协议通信。另外系统接口还包含USB接口，用于测量数据的存储，便于后续分析；以太网接口，用于主机与设备之间的通信访问及控制操控；显示屏接口，连接一组可触摸的显示屏，用于设备图形化测量及显示操作。本装置的测量计算、扰动剔除、误差补偿及输出控制等都由核心ARM9处理器完成，电子罗盘传感器和激光测距传感器是系统中的关键重要部件，另外设备供电也是系统中的重要单元，决定了测量的准确度。

本具体实施方式提供的一体化空间信息测量装置的另一个核心关键是供电单元，系统中关键部件包括电子罗盘、倾角传感器和激光测距传感器，高精度激光测距传感器、倾角传感器的技术已经较为成熟，系统适应性也很强，但实现方位角测量的电子罗盘真正实现高精度测量不仅设备本身需要具有高精度，对系统环境也有很强的要求。

常用的微型电子罗盘传感器一般都是磁感应型，在进行方位角测量的时候要保证周围无任何的磁干扰，但本装置中的激光测距传感器和电源变换单元对其都具有很大的干扰。原因在于激光测距传感器在测量的时候需要瞬间高压支持，这个高压源对周围产生很大的电磁干扰，另外本装置作为便携式仪器需要通过电池供电，系统设计的低损耗是关键，电源供电转换设计为解决高效问题采用开关电源设计思路，因此供电单元会产生较大的电磁干扰。

为解决以上两个干扰源问题，本装置对供电单元进行了优化设计，并对测试方法进行优化，即在进行方位角测量的瞬间关断激光测距传感器的供电，使激光测距传感器处于非工作状态，另外在这期间系统的供电切换到线性电源供电状态，关闭开关电源的输出，采用了这两种措施后有效的解决了系统的电磁干扰问题。

本具体实施方式提供的一体化空间信息测量装置的供电单元设计如图6所示，本装置使用的电池为11V的锂电池，锂电池的输出接入到装置中的开关电源电压转换线路，开关电源转换线路输出稳定的两路电压，分别为5V和12V，其中12V电压是提供给激光测距传感器的，其余设备的供电都从5V输出取电。

另外本装置中还备份了一组简易5V电压转换线路，输入也是电池的输出。这组线路采用线性稳压变换的设计，由处理器控制单元控制稳压电源的使用和关闭。当本装置测量的过程中激光测距完成后，由控制器控制稳压线路开始工作，当稳压线路输出电压达到5V的时候同时关断开关电源的输出，因此开关电源线路停止工作，12V输出随即消失，激光测距传感器停止工作，使主要干扰源被消除。

其中，线性稳压电源线路由R1、R2、R3、R4、D1、Q1、Q2和C1组成，当控制器核心单元给出一个低电平开通信号的时候，Q1被关断，电池通过R1向C1电容充电，当C1上的电压达到4.5V的时候，即R3、R4两端电压达到4.5V的时候，通过R3、R4分压产生的电压升高，R3、R4中间点连接到开关电源控制器的开关控制引脚，使得开关电源控制器接收到关断电压门限，开关电源控制器停止工作，开关电源线路处于停止工作状态，两路输出消失；电池通过R1继续给电容C1充电，当电容电压达到5.8V的时候，由于D1稳压管的稳压作用，C1上的电压不再增大，即Q2三极管的基极电压稳定在5.8V，去掉三极管的偏置压降，三极管射极的输出在5.1V左右，开关电源关断后线性稳压电源继续为处理器单元和电子罗盘提供稳定电压。

当方位角测量完成，处理器单元给出一个高电平控制信号，Q1被导通，C1电容被放电，Q2基极电压被拉低到零电位附近，Q2三极管关断，线性电源停止工作，同时R3、R4两个电阻中间分压降低到零电位左右，给开关电源控制器开关控制端一个低电压，开光电源控制器开始投入工作，开关电源线路投入使用。因为系统5V用电的负载是稳定不变的，通过增大电容C2的数值可以使得两组电源在切换的过程中使得5V的供电电压瞬间波动不大。线性电源线路部分只是在方位角测量的过程中才会投入使用，平时处于关闭状态，因为线性源的本身功率消耗较大，只作为瞬间测量使用。

采用本具体实施方式提供的技术方案，能够根据一个空间已知点三维坐标快速测量其他待测未知点三维坐标的方法和装置，并通过该装置可快速测量出未知区域的空间三维坐标信息，提高矿山领域测量工作的效率，具有测量方便、易于携带和后期数据处理较简单的特点；并且本具体实施方式提供的技术方案够方便快捷地用于井下工程结构的实际测量；同时，将一体化空间信息测量装置与矿山作业过程有机结合，可以形成一体化的井下作业体系，从而大幅提高矿山生产和工艺设计效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一体化空间信息测量方法，其特征在于，包括：

通过已知空间点计算获得测量装置的当前三维坐标；

通过所述测量装置的当前三维坐标计算获得待测点的三维坐标；

其中，所述方法还包括：

在进行方位角测量的瞬间关断激光测距传感器的供电，并在关断激光测距传感器的供电期间将整体的供电切换到线性电源供电状态，并关闭开关电源的输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述测量装置的当前三维坐标计算获得待测点的三维坐标包括：

所述测量装置到所述待测点的坐标增量根据以下公式计算获得：

Δx＝l·cosθ＝L·cosα·cosθ

Δy＝l·sinθ＝L·cosα·sinθ

Δz＝L·sinα

其中，l表示测量装置与待测点之间的水平投影的距离，L表示测量装置与待测点之间的直线距离，α表示测量装置与待测点之间的水平倾角，θ表示测量装置与待测点之间的空间方位角。

3.一体化空间信息测量装置，其特征在于，包括：

当前坐标获取单元，用于通过已知空间点计算获得测量装置的当前三维坐标；

待测坐标获取单元，用于通过所述测量装置的当前三维坐标计算获得待测点的三维坐标；

其中，该装置还包括：

供电单元，用于在进行方位角测量的瞬间关断激光测距传感器的供电，并在关断激光测距传感器的供电的期间将所述一体化空间信息测量装置的供电切换到线性电源供电状态，并关闭开关电源的输出。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，在所述待测坐标获取单元中包括：

坐标增量计算子单元，用于根据以下公式计算获得所述测量装置到所述待测点的坐标增量：

Δx＝l·cosθ＝L·cosα·cosθ

Δy＝l·sinθ＝L·cosα·sinθ

Δz＝L·sinα

其中，l表示测量装置与待测点之间的水平投影的距离，L表示测量装置与待测点之间的直线距离，α表示测量装置与待测点之间的水平倾角，θ表示测量装置与待测点之间的空间方位角。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

内部姿态获取单元，通过电子罗盘和倾角传感器获取该装置的倾角和空间方位角。