CN101672913B - 激光三点动态定位方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光三点动态定位方法及***，该方法为：在固定位置设置2个基站：第一基站和第二基站，在运动目标上设置主站；所述的基站发射激光到主站；所述的基站与主站无线通信连接；定义基线为第一基站和第二基线的连线；第一基站采集主站相对于第一基站与基线之间的夹角α；第二基站采集主站相对于第二基站与基线之间的夹角β；第一基站和第二基站分别将夹角α和夹角β发送给主站；主站根据夹角α、夹角β与基线长度L确定主站的位置。依据该方法构造了激光三点动态定位***。本技术可用于对无标识环境下野外作业的运动物体进行动态定位，定位精度高、操作原理简单、实现成本低。

Description

激光三点动态定位方法及***

技术领域

本发明属于自动定位技术领域，涉及激光三点动态定位方法及***。

背景技术

自动定位技术是电子信息技术、计算机技术、控制技术等多种学科的综合，在现代工农业生产中的应用越来越广，如精细农业中的耕、种、播、收、药物喷洒、除草、信息采集、变量产量图生成及变量投入作业，工农建筑行业中的土地平整，车辆自动行走等方面，都需应用自动定位技术。

目前应用较为广泛的定位***有全球定位***、无线电定位、视觉定位、惯性传感器定位等。一般来说，高精度GPS定位***复杂，造价昂贵，而价格较低的GPS***，定位精度不够，无法对运动物体进行精确定位；无线电定位由于其工作均与无线电波的传播有关，因而在一定程度上受气候、地形、位置及电磁干扰的影响；视觉定位具有信息探测范围宽，目标信息完整等优点，但远距离定位精度差，受恶劣环境的影响较大；惯性传感器是一种自主式定位方法，完全依靠设备自主地完成定位任务，工作不受天气条件的限制，在短时间内定位精度高，长时间工作时存在累积误差，定位精度、可靠性都会下降。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题是提供一种激光三点动态定位方法及***，本技术可用于对无标识环境下野外作业的运动物体进行动态定位，定位精度高、操作原理简单。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种激光三点动态定位方法，其特征在于，在固定位置设置2个基站：第一基站和第二基站，在运动目标上设置主站；所述的基站发射激光到主站；所述的基站与主站无线通信连接；定义基线为第一基站和第二基站的连线；第一基站采集主站相对于第一基站与基线之间的夹角α；第二基站采集主站相对于第二基站与基线之间的夹角β；第一基站和第二基站分别将夹角α和夹角β通过第一基站和第二基站上的无线数据传输模块发送给主站；主站根据夹角α、夹角β与基线长度L确定主站的位置。

夹角计算方法为：

当主站的激光接收器接收到基站的激光信号，主站通过无线数据传输模块向基站发送信息，要求基站将当前的夹角通过无线数据传输模块传送到主站。夹角采集的方法为：基站CPU单元通过水平回转电机控制器控制水平回转电机工作，同时记录水平回转步进电机步数，根据公式：夹角＝(360°/n)*步数，将步数转换为回转角度，即基站与基线的夹角(其中，初始步数为0，步进电机细分数为n)。另外，也可以采用编码盘传感器采集夹角，编码盘随水平回转平台转动，检测传感器采集编码盘转动信息以脉冲的形式送入CPU，由CPU记录脉冲数，若编码盘解析分度为n，则根据公式：夹角＝(360°/n)*脉冲数。

主站位置的计算公式为：

$x=L\frac{\mathrm{tg\α}}{\mathrm{tg\α}+\mathrm{tg\β}};$ $y=L\frac{\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg\β}}{\mathrm{tg\α}+\mathrm{tg\β}};$ (0，0)为第一基站的位置坐标，(L，0)为第二基站的位置坐标，(x，y)为主站即运动目标的当前位置的坐标。

主站分别采用加速度传感器和陀螺仪实时检测运动目标的加速度和运动方向，并将加速度和运动方向参数发送给基站，便于基站的激光发射器实时追踪主站的激光接收器。

一种激光三点动态定位***，其特征在于，包括2个位置固定的基站和一个设置在运动目标上的主站；所述的基站上设置有激光发射器；所述的主站上设置有激光接收器；

所述的基站包括基站微处理器、基站无线数据传输模块、水平回转电机控制器和水平回转电机；所述的基站无线数据传输模块和水平回转电机控制器均与基站微处理器连接；基站微处理器通过水平回转电机控制器控制水平回转电机；由水平回转电机带动激光发射器转动。

所述的主站包括：主站微处理器、主站无线数据传输模块、加速度传感器、陀螺仪；激光接收器与主站微处理器连接，所述的主站无线数据传输模块、加速度传感器、陀螺仪和激光接收器均与所述的主站微处理器连接；

所述的主站无线数据传输模块和基站无线数据传输模块通信连接。

基站还包括水平检测模块、水平调节电机控制器和水平调节电机；所述的水平检测模块和水平调节电机控制器均与所述的基站微处理器连接，基站微处理器通过水平调节电机控制器控制水平调节电机。

激光发射器不与基站微处理器直接连接，而是上电即工作，不停的发出激光信号。CPU是控制水平回转步进电机转动，步进电机则带动其上的激光发射器转动，使激光发射器可以追踪主站上的激光接收器。

激光接收器由光敏元件组成，通过数据选择器后直接接到主站微处理器的I/O端口，当主站的激光接收器上的光敏元件接收到激光信号时，主站微处理器的I/O将检测为高电平，此时主站微处理器将通过无线数据传输模块向基站发送信息，要求基站将当前的夹角通过无线数据传输模块传送到主站。

本发明所具有的有益效果：

本发明采用激光三点定位技术，由两个基站之间的基线距离和通过采集到的两个激光光束与基线之间的水平夹角三个参数，运用三角函数公式运算得出运动物体的实时位置坐标与速度等信息，原理与操作简单。同时，采用加速度传感器和陀螺仪实时检测运动物体的加速度和运动方向，便于基站的激光发射器实时追踪主站的激光接收器，对运动物体进行动态定位，在每次激光三点定位测算出一组定位数据后，以此数据对加速度传感器和陀螺仪所测数据进行校正，降低了累积误差。主站上的激光接收器由一些光电元件密布组成，接收面积大，可以克服由于运动物体的震动出现激光信号入射角度太大以至于接收不到信号或出现较大误差等问题，定位精度高。又由于激光具有人眼安全及较高的大气透过率、体积小、波束窄、成本低、抗电磁干扰、距离及位置探测精度高等优点，因此本发明的定位***受外界环境影响较小、成本较低。

依据上面的分析，相对于GPS定位***，本***性价比高、响应速度快；相对于无线电定位***，本***不受位置及电磁干扰的影响；相对于视觉定位***，本***定位精度高、不受恶劣环境影响；相对于单惯性传感器定位方法，本***累计误差低、定位精度高、可靠性强。

附图说明

图1基站结构示意图；

图2基站控制器框图；

图3移动主站结构示意图；

图4移动主站控制器框图；

图5激光三点动态定位原理示意图。

图中标号说明：

1-水平检测模块；2水平回转平台，3-激光发射器；4-水平回转电机，5-水平调节电机；6-支撑圆板，7-水平调节丝杆；8-可调三脚架；9-连接杆，10-基站控制器。

11-激光接收器，12-主站控制器，13-支架，14-底座。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

激光三点动态定位***由两个基站和一个移动主站组成。

两个基站分别由激光发射器、水平回转平台、水平回转角度测量模块、水平检测模块和基站控制器组成。

如图1所示，整个基站固定在高度可调的三角架8上，激光发射器3安装在水平转动平台2上，水平回转平台2上还安装有水平检测模块1，水平转动平台2通过水平回转电机4带动在水平面上来回转动，该电机自带水平回转角度测量模块，水平回转电机4、水平调节电机5与支撑圆板6固接，支撑圆板6和底座9是通过三根杆连接的，三根杆分布在以圆板的圆心为中心的等边三角形的三个顶点上，其中杆10下端和底座9固接，上端和支撑圆板铰接，丝杆7下端与底座9通过螺纹连接，上端与水平调节电机5的轴固接。

2个基站的激光发射器所发射的激光分别为两种不同波长的光，便于接收时的区别。激光发射器安装在水平回转平台上，水平回转平台由水平回转电机控制，可以进行水平方向360°来回转动，同时，CPU单元测算水平回转平台上激光发射器所发光束与基线之间的水平夹角，水平调节电机和水平检测模块在安装时调节基站水平。

两个基站的控制器分别由电源模块、显示模块、键盘、CPU单元和无线数据传输模块组成。CPU单元为中央处理单元，接收基站水平回转角度测量模块和基站水平检测模块信号，控制水平回转电机和水平调节电机运转。无线数据传输模块用于基站和主站之间的通讯。

移动主站主要由主站控制器、激光接收器、支架和底座构成。如图3所示，激光接收器11和主站控制器12都与支架13固接，支架13固接在底座14上，底座14用来和其他的可移动的物体连接。

移动主站的激光接收器由一些光电传感器组成，可检测两个基站发出的不同波长的激光信号。移动主站的控制器部分由CPU单元、加速度传感器、陀螺仪单元、无线数据传输模块、电源模块、显示模块、键盘和执行输出模块组成。CPU单元为中央处理单元，可接收激光接收器的信号，即当有激光信号到激光接收器上的时候，CPU的对应I/O检测到高电平信号，在此基础上，CPU通过无线数据传输模块向基站要求传送当时的夹角。加速度传感器和陀螺仪用于测量主站所在物体的加速度和运动方向；无线数据传输模块用于基站和主站之间的通讯；执行输出用于输出控制信号控制机械运动。

工作原理：

在工作之前，将两个基站以一定的距离固定在地面上，采用水平检测模块内的倾角传感器检测水平回转平台与水平面的倾斜数据，并将检测到的倾斜数据传送到基站控制器的CPU单元，由CPU单元控制基站上的两个水平调节电机带动丝杆旋转，从而改变底座与支撑圆盘的相对角度，使水平回转平台保持水平。两个基站之间的连线定义为基线，基线长度为L。移动主站安装在运动物体上，可以随运动物体一起移动。

在检测到基站的激光信号的情况下，主站的CPU单元控制通过无线数据传输模块按一定时间间隔发送确认信号到基站，要求基站采集当时的回转角度信息，主站向基站发送确认信号的频率是CPU单元根据运动物体当前的速度信息和定位精度要求实时调整的。例如：主站移动速度为10km/小时，定位精度误差要求在3cm以内，则可以采用100Hz的频率。基站接收到信号后，通过计算步进电机步进数，采集当时水平回转平台上激光发射器激光光束与基线之间的水平夹角，如图5所示的α、β，通过无线数据传输模块传送到主站，使主站的CPU单元根据两个角度α、β信息和已知的基线长度L三个参数计算出运动物体当时的相对位置与速度信息，对运动物体进行动态定位。

加速度传感器和陀螺仪因存在累积误差，在长时间工作时精度会下降，为降低累积误差，保证激光发射器可以实时追踪到主站的激光接收器，在每次通过激光三点定位测算出一组定位信息后，以此数据为基础，再利用加速度传感器和陀螺仪的实时加速度和方向数据测算出主站所在物体的位置和速度数据，预估运动物体的运动趋势，从而控制水平回转平台带动激光发射器对主站上的激光接收器进行追踪。

运动物体尚未移动前，基站上的激光发射器所发射的激光束对准主站上的激光接收器，测出主站初始位置，便于之后的轨迹跟踪。

运动物体移动开始，主站上的加速度传感器检测运动物体的加速度，陀螺仪检测运动物体的运动方向，通过无线数据传输模块传送到基站上，基站的CPU单元依据主站初始位置、初速度及所得的加速度和运动方向数据控制水平回转电机的转动方向与速度，使水平回转平台所带激光发射器实时追踪主站上的激光接收器，从而保证主站上的激光接收器可以不间断检测到基站的激光信号。

原理框图如图5所示：

其中，L为已知的基线距离长度，α、β为激光发射器基准面与基线水平夹角，(0，0)为第一基站的位置坐标，定义为基点，(L，0)为第二基站的位置坐标，(x，y)为运动机械移动到当前位置的坐标，根据a、α、β三个参数，由公式：

$x=L\frac{\mathrm{tg\α}}{\mathrm{tg\α}+\mathrm{tg\β}},$ $y=L\frac{\mathrm{tg\α}\·\mathrm{tg\β}}{\mathrm{tg\α}+\mathrm{tg\β}}$

可得运动物体的位置坐标信息。

Claims (3)

1.一种激光三点动态定位方法，其特征在于，在固定位置设置2个基站：第一基站和第二基站，在运动目标上设置主站；所述的基站发射激光到主站；所述的基站与主站无线通信连接；定义基线为第一基站和第二基站的连线；第一基站采集主站相对于第一基站与基线之间的夹角α；第二基站采集主站相对于第二基站与基线之间的夹角β；第一基站和第二基站分别将夹角α和夹角β通过第一基站和第二基站上的无线数据传输模块发送给主站；主站根据夹角α、夹角β与基线长度L确定主站的位置；

2个基站的激光发射器所发射的激光分别为两种不同波长的光，便于接收时的区别；

主站位置的计算公式为：

(0,0)为第一基站的位置坐标，（L，0）为第二基站的位置坐标，（x,y）为主站即运动目标的当前位置的坐标；

主站分别采用加速度传感器和陀螺仪实时检测运动目标的加速度和运动方向，并将加速度和运动方向参数发送给基站，便于基站的激光发射器实时追踪主站的激光接收器。

2.一种根据权利要求1所述激光三点动态定位方法的激光三点动态定位***，其特征在于，包括2个位置固定的基站和一个设置在运动目标上的主站；所述的基站上设置有激光发射器；所述的主站上设置有激光接收器；

所述的基站包括基站微处理器、基站无线数据传输模块、水平回转电机控制器和水平回转电机；所述的基站无线数据传输模块和水平回转电机控制器均与基站微处理器连接；基站微处理器通过水平回转电机控制器控制水平回转电机；由水平回转电机带动激光发射器转动；

所述的主站包括：主站微处理器、主站无线数据传输模块、加速度传感器和陀螺仪；激光接收器与主站微处理器连接，所述的主站无线数据传输模块、加速度传感器、陀螺仪和激光接收器均与所述的主站微处理器连接；

所述的主站无线数据传输模块和基站无线数据传输模块通信连接。

3.根据权利要求2所述的激光三点动态定位***，其特征在于，基站还包括水平检测模块、水平调节电机控制器和水平调节电机；所述的水平检测模块和水平调节电机控制器均与所述的基站微处理器连接，基站微处理器通过水平调节电机控制器控制水平调节电机。

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