RU2454680C1

RU2454680C1 - Laser location method

Info

Publication number: RU2454680C1
Application number: RU2010149227/28A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Александрович Мастеренко (RU); Дмитрий Александрович Мастеренко
Original assignee: Российская Федерация, в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-06-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method involves irradiating the determined object with laser radiation, receiving the laser radiation with a receiver, converting the laser radiation to an electrical signal, processing and analysing the electrical signal and determining the location of the object based on the results. When irradiating a tangible object with laser radiation, the frequency of the laser radiation is varied according to the saw-tooth law. The laser radiation is split into two pairs of components and each component is converted from direct to scattered by passing through a diaphragm. All diaphragms are placed in one plane so that the optical paths of the laser radiation from the laser to each of the pairs of diaphragms are the same. The determined object is irradiated with scattered radiation from each pair of diaphragms successively. A receiver is placed on the determined object and the composite signal of the scattered laser radiation from each pair of diaphragms is received. Said signal is converted to an electrical signal which is then processed and analysed. Two curves of all possible locations of the object on the plane are determined based on the results of analysing the processed signal from each pair. The real location of the object on the plane, which passes through the object and the diaphragm, is determined from the point of intersection of the curves.

EFFECT: high accuracy of determining location of an object on a plane.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области приборостроения, преимущественно к измерительной технике, основанной на лазерном излучении, и может быть использовано в робототехнике и на предприятиях, занимающихся разработкой, изготовлением и применением систем лазерной локации для определения местонахождения объекта на плоскости.The invention relates to the field of instrumentation, mainly to measuring equipment based on laser radiation, and can be used in robotics and at enterprises engaged in the development, manufacture and use of laser location systems to determine the location of an object on a plane.

Известен способ лазерной локации, при котором облучают определяемый объект лазерным излучением, принимают лазерное излучение приемником, преобразуют лазерное излучение в электрический сигнал, производят обработку и анализ электрического сигнала и по результатам анализа этого сигнала определяют координаты каждой точки поверхности контролируемого объекта (заявка на изобретение №2001117241, G01B 11/24, опубликована в 2003 г.) В данном способе лазер устанавливается на поворотной платформе, а лазерное излучение направляется на объект под разными углами, при этом для определения координат каждой точки поверхности контролируемого объекта необходимо измерять углы поворотной платформы, на которой устанавливают лазер. Погрешность измерения этих углов сильно влияет на точность определения координат каждой точки поверхности контролируемого объекта. Недостаток данного способа заключается в невысокой точности определения местоположения объекта, обусловленной сложностью точного определения углов установки платформы с лазером.There is a known method of laser location, in which the detected object is irradiated with laser radiation, the laser radiation is received by the receiver, the laser radiation is converted into an electrical signal, the electric signal is processed and analyzed, and the coordinates of each point on the surface of the object being monitored are determined from the analysis of this signal (patent application No. 20011117241 , G01B 11/24, published in 2003) In this method, the laser is mounted on a turntable, and the laser radiation is directed to the object at different angles In this case, to determine the coordinates of each point on the surface of the controlled object, it is necessary to measure the angles of the turntable on which the laser is mounted. The measurement error of these angles greatly affects the accuracy of determining the coordinates of each point on the surface of the controlled object. The disadvantage of this method is the low accuracy of determining the location of the object, due to the difficulty of accurately determining the installation angles of the platform with the laser.

Известен также способ лазерной локации, включающий облучение определяемого объекта лазерным излучением, принятие лазерного излучения приемником, преобразование лазерного излучения в электрический сигнал, обработку и анализ электрического сигнала, по результатам которого определяют местоположение объекта (патент Российской Федерации №2296350, G01S 17/02, 2007 г.) Этот способ выбран в качестве прототипа предложенного решения.There is also a known method of laser location, including irradiating a detected object with laser radiation, receiving laser radiation by a receiver, converting laser radiation into an electrical signal, processing and analyzing an electrical signal, the results of which determine the location of the object (patent of the Russian Federation No. 2296350, G01S 17/02, 2007 d.) This method is selected as a prototype of the proposed solution.

В указанном способе объект облучают немодулированным лазерным излучением, излучение отражается объектом и водной поверхностью, над которой расположен объект, принимается приемником, расположенным вблизи источника лазерного излучения, преобразуется в электрический сигнал, по результатам обработки которого судят о координатах объекта относительно водной поверхности. Недостатком известного способа является невысокая точность определения местоположения объекта на плоскости, обусловленная тем, что принимают излучения не только от объекта, но и от бликов морской поверхности и статистически усредняют полученные результаты. Кроме того недостатком данного способа является невозможность применения его в робототехнике.In this method, an object is irradiated with unmodulated laser radiation, the radiation is reflected by the object and the water surface above which the object is located, is received by the receiver located near the laser radiation source, converted into an electrical signal, the results of which are used to judge the coordinates of the object relative to the water surface. The disadvantage of this method is the low accuracy of determining the location of an object on a plane, due to the fact that they receive radiation not only from the object, but also from the glare of the sea surface and statistically average the results. In addition, the disadvantage of this method is the inability to use it in robotics.

В предложенном изобретении ставится техническая задача создания такого способа лазерной локации, который бы обеспечивал высокую точность определения местоположения объекта на плоскости, что особенно важно для робототехники.The proposed invention poses the technical task of creating such a method of laser ranging, which would provide high accuracy in determining the location of an object on a plane, which is especially important for robotics.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе лазерной локации, включающим облучение определяемого объекта лазерным излучением, принятие лазерного излучения приемником, преобразование лазерного излучения в электрический сигнал, обработку и анализ электрического сигнала, по результатам которого определяют местоположение объекта. При облучении материального объекта лазерным излучением изменяют частоту лазерного излучения по пилообразному закону, разделяют лазерное излучение на две пары составляющих, преобразуют каждую составляющую лазерного излучения из прямого в рассеянное путем пропускания через диафрагму, располагают все диафрагмы в одной плоскости таким образом, чтобы оптические пути прохождения лазерного излучения от лазера до каждой из пары диафрагм были одинаковы, облучают определяемый объект рассеянным лазерным излучением от каждой пары диафрагм поочередно, располагают приемник на определяемом объекте, принимают приемником суммарный сигнал рассеянного лазерного излучения от каждой пары диафрагм и преобразуют его в электрический сигнал, производят обработку и анализ электрического сигнала, возникающего при воздействии рассеянного лазерного излучения поочередно от каждой пары диафрагм, по результатам анализа обработанных сигналов от каждой пары определяют две кривые всех возможных расположений объекта на плоскости, по точке пересечения которых и определяют действительное местоположение объекта на плоскости, проходящей через объект и диафрагмы.The specified technical result is achieved by the fact that in the laser location method, including irradiating the detected object with laser radiation, receiving the laser radiation by the receiver, converting the laser radiation into an electrical signal, processing and analysis of the electrical signal, the results of which determine the location of the object. When a material object is irradiated with laser radiation, the frequency of laser radiation is changed according to a sawtooth law, laser radiation is divided into two pairs of components, each component of laser radiation is converted from direct to scattered by passing through the diaphragm, and all diaphragms are placed in one plane so that the optical paths of the laser pass the radiation from the laser to each of the pair of diaphragms were the same; the detected object is irradiated with scattered laser radiation from each pair of diaphragms n next, the receiver is placed on the object being determined, the receiver receives the total signal of the scattered laser radiation from each pair of diaphragms and converts it into an electrical signal, processes and analyzes the electric signal that occurs when the scattered laser radiation is applied alternately from each pair of diaphragms, according to the analysis of the processed signals from each pair, two curves of all possible locations of the object on the plane are determined, by the intersection of which they determine the actual topolozhenie object on a plane passing through the object and the aperture.

Предлагаемый способ лазерной локации поясняется с помощью прилагаемых чертежей:The proposed method of laser location is illustrated using the attached drawings:

- на фиг.1 изображена схема взаимного расположения лазера, диафрагм и определяемого объекта;- figure 1 shows a diagram of the relative position of the laser, apertures and the detected object;

- на фиг.2 изображены результаты обработки электрических сигналов, возникающих при воздействии рассеянного лазерного излучения поочередно от каждой пары диафрагм.- figure 2 shows the results of processing electrical signals that occur when exposed to scattered laser radiation alternately from each pair of diaphragms.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.The essence of the invention is as follows.

В лазере 1 (фиг.1) излучение модулируется по пилообразному закону. Базовая частота излучения может быть выбрана в инфракрасном диапазоне, например, 200 ТГц, что соответствует длине волны примерно 1,5 мкм. При этом мы линейно наращиваем частоту на 100 ГГц за 1 мс.In the laser 1 (Fig. 1), the radiation is modulated according to a sawtooth law. The base radiation frequency can be selected in the infrared range, for example, 200 THz, which corresponds to a wavelength of about 1.5 microns. At the same time, we linearly increase the frequency at 100 GHz in 1 ms.

Лазерное излучение разделяют на две пары составляющих, например с помощью полупрозрачных зеркал или призм, и направляют на диафрагмы 2, при этом оптические пути прохождения лазерного излучения от лазера до каждой из пары диафрагм выполняются одинаковыми.Laser radiation is divided into two pairs of components, for example using translucent mirrors or prisms, and directed to the diaphragms 2, while the optical paths of the laser radiation from the laser to each of the pair of diaphragms are the same.

Преобразуют каждую составляющую лазерного излучения из прямого в рассеянное путем пропускания через диафрагмы 2. При этом располагают все диафрагмы в одной плоскости. Две пары диафрагм могут быть образованы как четырьмя диафрагмами, так и тремя, если одна из них будет являться общей для обеих пар.Each component of the laser radiation is converted from direct to scattered by passing through the diaphragms 2. In this case, all the diaphragms are located in the same plane. Two pairs of diaphragms can be formed by either four diaphragms or three, if one of them is common to both pairs.

Приемник рассеянного лазерного излучения располагают на определяемом объекте 3. Производят облучение определяемого объекта рассеянным лазерным излучением от каждой пары диафрагм поочередно, поскольку излучение от одной пары диафрагм при данном способе локации не дает однозначного решения. При этом частота переключения рассеянного лазерного излучения от каждой пары диафрагм выбирается из условий обеспечения необходимой точности определения местоположения объекта. Например, при указанных выше параметрах модуляции лазерного излучения, частота переключения между парами источников должна составлять порядка секунд.The receiver of scattered laser radiation is placed on the object being determined 3. The object being detected is irradiated with scattered laser radiation from each pair of diaphragms in turn, since radiation from one pair of diaphragms with this location method does not provide an unambiguous solution. In this case, the switching frequency of the scattered laser radiation from each pair of diaphragms is selected from the conditions for ensuring the necessary accuracy of determining the location of the object. For example, with the above parameters of modulation of laser radiation, the switching frequency between pairs of sources should be of the order of seconds.

С помощью установленного на объекте приемника поочередно принимают суммарные сигналы рассеянного лазерного излучения от каждой пары диафрагм, которые преобразуют в электрические сигналы, например, с помощью фотоэлектрического преобразователя. Производят обработку и анализ электрического сигнала, возникающего при воздействии рассеянного лазерного излучения поочередно от каждой пары диафрагм.Using the receiver installed on the object, the total signals of the scattered laser radiation from each pair of diaphragms are received, which are converted into electrical signals, for example, using a photoelectric converter. They process and analyze the electrical signal that arises when exposed to scattered laser radiation alternately from each pair of diaphragms.

В результате анализа обработанного сигнала через определение разности частот от каждой диафрагмы в паре, находится разность расстояний от определяемого объекта до диафрагм, координаты которых известны. По разности расстояний от определяемого объекта до диафрагм задает некую кривую 4 всех возможных расположений объекта на плоскости. Так как геометрическое место точек М Евклидовой плоскости, для которых абсолютное значение разности расстояний от М до двух выделенных точек F1 и F2 (называемых фокусами, в нашем случае это как раз и есть диафрагмы) постоянно - это гипербола, то указанная кривая имеет вид гиперболы, на которой находится определяемый объект, при облучении его рассеянным лазерным излучением от одной пары диафрагм. Путем облучения определяемого объекта рассеянным лазерным излучением от второй пары диафрагм, можно определить вторую кривую 5, также имеющую вид гиперболы, на которой находится определяемый объект и лежащей в той же плоскости. Точка пересечения этих кривых и дает координаты (X₀, Y₀) или действительное местоположение определяемого объекта на плоскости (фиг.2).As a result of the analysis of the processed signal by determining the frequency difference from each diaphragm in a pair, there is a difference in the distances from the detected object to the diaphragms whose coordinates are known. By the difference in distances from the detected object to the diaphragms, it sets a certain curve 4 of all possible locations of the object on the plane. Since the geometrical location of the points M of the Euclidean plane, for which the absolute value of the distance difference from M to the two selected points F1 and F2 (called foci, in our case this is just the diaphragm), is constantly a hyperbola, this curve has the form of a hyperbola, on which the detected object is located, when it is irradiated with scattered laser radiation from one pair of diaphragms. By irradiating the detected object with scattered laser radiation from the second pair of diaphragms, it is possible to determine the second curve 5, also having the form of a hyperbola, on which the detected object is located and lying in the same plane. The intersection point of these curves and gives the coordinates (X ₀ , Y ₀ ) or the actual location of the determined object on the plane (figure 2).

Заявленный способ лазерной локации может быть осуществлен в промышленности с применением освоенных современных технологий, материалов и процессов и может быть использован для определения местоположения объекта в робототехнике, станкостроении и машиностроении.The claimed method of laser location can be implemented in industry using advanced modern technologies, materials and processes and can be used to determine the location of the object in robotics, machine tool and machine building.

Предложенный способ лазерной локации не использует измерения углов, что приводит к увеличению погрешности определения местоположения определяемого объекта с увеличением расстояния от лазерного источника, позволяет повысить точность определения местоположения объекта на плоскости, которая не зависит в данном способе от расстояния между объектом и источником лазерного излучения.The proposed laser location method does not use angle measurements, which leads to an increase in the error in determining the location of the object being determined with an increase in the distance from the laser source, and makes it possible to increase the accuracy of determining the location of an object on a plane, which in this method does not depend on the distance between the object and the laser radiation source.

Claims

The method of laser location, including irradiating a detected object with laser radiation, receiving laser radiation by a receiver, converting laser radiation into an electrical signal, processing and analyzing an electrical signal, the results of which determine the location of the object, characterized in that when the material is irradiated with laser radiation, the laser radiation frequency is changed according to the sawtooth law, laser radiation is divided into two pairs of components, each component of the laser radiation is converted From direct to diffuse, by passing through the diaphragm, all diaphragms are placed in the same plane so that the optical paths of laser radiation from the laser to each of the two diaphragms are the same, irradiate the object being detected with scattered laser radiation from each diaphragm pair in turn, position the receiver on the detected object, the receiver receives the total signal of the scattered laser radiation from each pair of diaphragms and converts it into an electrical signal, processing and analysis of the electric signal that occurs when the scattered laser radiation is applied alternately from each pair of diaphragms, according to the analysis of the processed signals from each pair, two curves of all possible locations of the object on the plane are determined, the intersection point of which determines the actual location of the object on the plane passing through the object and the diaphragms .