CN103308038B - 一种使用激光接收装置进行激光光斑中心识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于激光三点动态定位的激光接收装置及激光光斑中心识别方法，用于接收至少两束激光并实现激光光斑中心的准确识别。所述激光接收装置包括用于检测至少两个不同波长激光信号的激光接收靶标和用于解算出激光信号相关着靶信息的激光光斑中心解算单元，以及用于控制激光接收靶标初始复位并随入射激光信号运动的激光接收靶旋转控制机构，由此调整激光入射角度，当多束激光入射时，可以获得最佳的入射角，以及用来与外界通信的通信单元，以获得激光接收靶标对应的转角，并将激光光斑中心位置传输到外设，使激光接收装置能精准的接收激光信号并识别光斑中心，为激光三点定位***的定位解算提供技术支撑。

Description

一种使用激光接收装置进行激光光斑中心识别方法

技术领域

本发明属于自动定位技术领域，涉及一种用于激光定位的激光接收装置及激光光斑中心识别方法。

背景技术

自动定位技术在现代工农业生产中的应用越来越广泛，由于激光具备体积小、重量轻、速度快以及误差小等优点，在建筑行业用于水平和垂直校准中应用极为广泛，而在农业领域，其应用也得到了很多研究者的重视，如激光平地、激光育种、激光灭虫等，但激光技术在定位方面的研究才刚起步。激光三点动态定位***中，激光接收装置精准的接收两个不同波长的激光信号并识别其激光光斑中心，是定位***精确定位的基础，但目前用于激光投线仪和激光扫平仪的激光接收装置都是接收的静态单点激光信号，不适用于激光三点动态定位***。

发明内容

本发明的目的是：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于激光三点动态定位的激光接收装置及激光光斑中心识别方法，能接收与处理至少两个激光发射器发射的不同波长的激光信号并准确识别其光斑中心，为激光三点动态定位***的定位解算提供技术支撑。

本发明的技术方案是：一种激光接收装置，包括：

用于检测至少两个激光发射器所发射的不同波长激光信号的激光接收靶标；

用于解算出激光信号相关着靶信息的激光光斑中心解算单元；

用于控制激光接收靶标初始复位并随入射激光信号运动以获得最佳的入射角的激光接收靶旋转控制机构；

用于与外界通信以获得激光接收靶标对应的转角，并将激光光斑中心位置传输到外设的通信单元；

所述的激光接收靶旋转控制机构包括旋转轴、旋转轴支架、支撑轴承、联轴器、电机、电机支板和零点位置检测单元，所述的旋转轴支架包括上支架和下支架，所述的支撑轴承包括上轴承和下轴承，所述的上轴承固定于上支架上，所述的下轴承固定于下支架上，旋转轴穿过上下轴承，所述的电机通过电机支板固定于下支架上并通过联轴器连接旋转轴以驱动旋转轴转动，所述的零点位置检测单元为接近开关，包括传感器和传感器监测体，所述的传感器固定于上支架上，所述的传感器监测体固定于旋转轴上，传感器的输出端连接激光光斑中心解算单元的输入端；

所述的激光接收靶标包括靶标本体和激光接收传感器组，所述的激光接收传感器组均匀分布固定于靶标本体上而形成激光接收传感器阵列，所述的靶标本体固定于旋转轴的端部；

所述的通信单元为有线或无线通信模块；

所述的激光光斑中心解算单元包括中央处理器，激光光斑中心解算单元分别通信连接通信单元和激光接收靶标旋转控制机构，激光光斑中心解算单元的输入端连接激光接收靶标的输出端。

所述的一种激光接收装置，所述的激光接收传感器组中包括至少两种用于接收不同波长的激光接收传感器类别，所述的不同波长的激光接收传感器 间隔交替阵列排列。

所述的一种激光接收装置，所述的激光接收传感器阵列在水平和垂直方向上的长度相等，且不小于在定位范围内定位激光照射到靶标本体上所形成的激光光斑最大直径的一半。

所述的一种激光接收装置，所述的电机为步进电机。

所述的一种激光接收装置，还包括移位寄存器，所述的激光接收传感器组的输出端连接移位寄存器的输入端，移位寄存器的输出端连接激光光斑中心解算单元。

一种使用所述的激光接收装置进行激光光斑中心识别方法包括：

1)对被激光光斑照射的激光接收传感器阵列的状态信息进行多次循环采样，每次采样时令无激光信号的传感器状态为编码0，有激光信号的传感器状态编码为1，以获得激光接收传感器阵列的每一行激光信号状态数组；

2)对多次采样的每一行激光信号状态数组分别进行与操作，获得对应每一行的新数组；

3)将经过与操作的每一行新数组中状态编码进行加法运算并进行比较，取数值最大的一行为光斑对应中心行；

4)记录中心行的状态编码为1的传感器对应的宽度为核心光斑的直径，并选定处于直径中心位置的传感器位置为光斑中心。

本装置包括用于检测至少两个激光发射器所发射的不同波长激光信号的激光接收靶标和用于解算出激光信号相关着靶信息的激光光斑中心解算单元，以及用于控制激光接收靶标初始复位并随入射激光信号运动的激光接收靶旋转控制机构，由此调整激光入射角度，当多束激光入射时，可以获得最 佳的入射角，以及用来与外界通信的通信单元，以获得激光接收靶标对应的转角，并将激光光斑中心位置传输到外设。

所述激光接收靶标根据所需要接收的激光信号，由不同波长激光接收传感器组成，不同波长的激光接收传感器间隔交替阵列排列，激光接收传感器阵列在水平和垂直方向上的长度大于等于在定位范围内，激光光斑最大直径的一半，由此可以同时实现至少两种以上波长、经过调制的激光识别。

所述激光接收靶标的传感器阵列具有级联功能，当定位距离增加，或高程落差较大时，可以将多个传感器阵列串联使用，以满足不同定位距离和定位高程落差的需求。

所述激光接收靶旋转控制机构的电机通过一个刚性联轴器连接到旋转轴上，电机具备角度检测功能，依据通信单元传输来的信息，带动激光接收靶旋转至最佳转角位置上。零点位置检测传感器用于实现激光接收靶初始位置的检测功能，使激光接收装置启动时电机带动激光接收靶旋转至零点位置。

所述通信单元采用无线或有线通信方式，用来与外界通信，获得激光接收靶标对应的转角，并将激光光斑中心位置传输到外设。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的激光接收靶标和激光接收靶旋转控制机构的结构示意图；

图3为本发明接收两种不同波长激光信号的激光接收靶标示意图；

图4为本发明接收三种不同波长激光信号的激光接收靶标示意图；

图5为本发明激光接收靶标的传感器阵列级联框图；

其中，1-激光接收靶，2-转动轴，3-旋转轴支架，4-支撑轴承，5-联轴器，6-电机支板，7-电机，8-传感器，9-传感器监测体，10-接收第一种波长的传感器，11-接收第二种波长的传感器，12-接收第三种波长的传感器。

具体实施方式

参见图1，本发明装置包括：

用于检测至少两个激光发射器所发射的不同波长激光信号的激光接收靶标；

用于解算出激光信号相关着靶信息的激光光斑中心解算单元；

用于控制激光接收靶标初始复位并随入射激光信号运动以获得最佳的入射角的激光接收靶旋转控制机构；

用于与外界通信以获得激光接收靶标对应的转角，并将激光光斑中心位置传输到外设的通信单元；

激光接收靶旋转控制机构包括旋转轴、旋转轴支架、支撑轴承、联轴器、电机、电机支板和零点位置检测单元，旋转轴支架包括上支架和下支架，支撑轴承包括上轴承和下轴承，上轴承固定于上支架上，下轴承固定于下支架上，旋转轴穿过上下轴承，电机通过电机支板固定于下支架上并通过联轴器连接旋转轴以驱动旋转轴转动，零点位置检测单元为接近开关，包括传感器和传感器监测体，传感器固定于上支架上，传感器监测体固定于旋转轴上，传感器的输出端连接激光光斑中心解算单元的输入端；

激光接收靶标包括靶标本体和激光接收传感器组，激光接收传感器组均匀分布固定于靶标本体上而形成激光接收传感器阵列，靶标本体固定于旋转轴的端部；

通信单元为有线或无线通信模块；

激光光斑中心解算单元包括中央处理器，激光光斑中心解算单元分别通信连接通信单元和激光接收靶标旋转控制机构，激光光斑中心解算单元的输入端连接激光接收靶标的输出端。

在激光接收传感器组中包括至少两种用于接收不同波长的激光接收传感器类别，不同波长的激光接收传感器间隔交替阵列排列。

激光接收传感器阵列在水平和垂直方向上的长度相等，且不小于在定位范围内定位激光照射到靶标本体上所形成的激光光斑最大直径的一半。

为了实现标靶的准确移动，电机可采用步进电机。

为了实现多个标靶进行并联以扩大激光接收范围，本装置还包括移位寄存器，激光接收传感器组的输出端连接移位寄存器的输入端，移位寄存器的输出端连接激光光斑中心解算单元。

本装置进行激光光斑中心识别方法的过程包括：

1)对被激光光斑照射的激光接收传感器阵列的状态信息进行多次循环采样，每次采样时令无激光信号的传感器状态为编码0，有激光信号的传感器状态编码为1，以获得激光接收传感器阵列的每一行激光信号状态数组；

2)对多次采样的每一行激光信号状态数组分别进行与操作，获得对应每一行的新数组；

3)将经过与操作的每一行新数组中状态编码进行加法运算并进行比较，取数值最大的一行为光斑对应中心行；

4)记录中心行的状态编码为1的传感器对应的宽度为核心光斑的直径，并选定处于直径中心位置的传感器位置为光斑中心。

激光接收靶标由不同波长的激光接收传感器间隔交替阵列排列，若需要接收两种不同波长的激光信号，其排列如图3所示。若需要接收三种不同波长的激光信号，其排列如图4所示。

激光接收传感器阵列在水平和垂直方向上的长度大于等于在定位范围内，激光光斑最大直径的一半，若采用的激光发射器发射的激光光斑直径在最远定位距离时为640mm，则激光接收传感器阵列制造排列时在水平和垂直方向上的长度应大于或等于320mm，所采用的激光接收传感器尺寸若为8mm*8mm，排列间隔为2mm，因此激光接收传感器阵列为最少为32行，32列，以满足最大定位范围内能接收到激光信号并获取到激光光斑的中心位置。

激光接收靶标的传感器阵列具有级联功能，设计时，激光接收传感器阵列与优选移位寄存器74HC165相连，既可减少对后续中央处理芯片I/O口的要求，又可实现接收传感器阵列的级联，当定位距离增加，或高程落差较大时，增加传感器阵列单元即可，不需要重新设计并制作硬件电路，能节省成本，提高效率。具体设计框图如图5所示。考虑到应用实用与简便性，优选设计2行*8列的阵列单元，由上述为32行*32列的阵列为例，水平方向级联4个阵列单元，垂直方向级联16个阵列单元即可满足要求。

激光光斑中心解算单元用来计算并获取激光光斑的中心位置所对应的激光接收传感器阵列位置，以级联后32行*32列的两种波长激光接收传感器阵列为例，因两种波长激光接收传感器间隔排列，故采样分析时每种波长的传感器为16行*16行。

1）循环采样激光接收传感器阵列的状态信息，令无激光信号状态为编码0，有激光信号状态编码为1；获得每行激光信号状态数组。多次采样，以采 样三次为例。

第一次采样： $F_1=\left[\begin{array}{cccccccccccccccc}0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]$

第二次采样： $F_2=\left[\begin{array}{cccccccccccccccc}0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]$

第三次采样： $F_3=\left[\begin{array}{cccccccccccccccc}0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]$

2）对每行多次采样的状态数组分别进行与操作，获得对应每行新的数组。

$F=\left[\begin{array}{cccccccccccccccc}0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]$

3）将每行数组中状态编码进行加法运算并进行比较，取数值最大的一行为光斑对应中心行。经计算第9行数值相加等于8，为数值最大的一行，因此 取此行为光斑对应中心行。

4）对上述行的编码信息进行筛选，取中心行的中心值为光斑中心值。经分析，第9行的第8个和第9个传感器均可作为光斑中心值所在的传感器，因此可随机选定或以上一时刻的光斑中心值来判断选定。

激光接收靶旋转控制机构由电机、电机安装架、零点位置检测传感器、零点位置检测磁体、旋转轴、旋转轴支架、支撑轴承和联轴器组成。所述电机通过一个刚性联轴器连接到旋转轴上，接收靶固定在旋转轴端部的安装板上。所述电机具备角度检测功能，优选步进电机。所述的零点位置检测传感器，优选接近开关，用于实现激光接收靶初始位置的检测功能，安装在旋转轴支架上，用于非接触检测安装在旋转轴上的检测点零点位置检测磁体，***上电后电机受控旋转到零点位置，并根据***定位需要，根据通信单元传输来的转角信息，带动激光接收靶旋转至对应转角位置上，激光发射端同时也作自转，直到激光光斑照射到激光接收靶上。

通信单元采用无线或有线通信方式，无线通信方式下优选2.4G无线频段，通信信息包括发送当前激光光斑对应接收靶的位置参数、接收当前旋转电机所对应的当前角度值。

Claims (1)

1.一种使用激光接收装置进行激光光斑中心识别方法，所述的激光接收装置，包括：

用于检测至少两个激光发射器所发射的不同波长激光信号的激光接收靶标；

用于解算出激光信号相关着靶信息的激光光斑中心解算单元；

用于控制激光接收靶标初始复位并随入射激光信号运动以获得最佳的入射角的激光接收靶旋转控制机构；

用于与外界通信以获得激光接收靶标对应的转角，并将激光光斑中心位置传输到外设的通信单元；

所述的激光接收靶旋转控制机构包括旋转轴、旋转轴支架、支撑轴承、联轴器、电机、电机支板和零点位置检测单元，所述的旋转轴支架包括上支架和下支架，所述的支撑轴承包括上轴承和下轴承，所述的上轴承固定于上支架上，所述的下轴承固定于下支架上，旋转轴穿过上下轴承，所述的电机通过电机支板固定于下支架上并通过联轴器连接旋转轴以驱动旋转轴转动，所述的零点位置检测单元为接近开关，包括传感器和传感器监测体，所述的传感器固定于上支架上，所述的传感器监测体固定于旋转轴上，传感器的输出端连接激光光斑中心解算单元的输入端；

所述的激光接收靶标包括靶标本体和激光接收传感器组，所述的激光接收传感器组均匀分布固定于靶标本体上而形成激光接收传感器阵列，所述的靶标本体固定于旋转轴的端部；

所述的通信单元为有线或无线通信模块；

所述的激光光斑中心解算单元包括中央处理器，激光光斑中心解算单元分别通信连接通信单元和激光接收靶标旋转控制机构，激光光斑中心解算单元的输入端连接激光接收靶标的输出端；

其特征在于，包括以下步骤：

1) 对被激光光斑照射的激光接收传感器阵列的状态信息进行多次循环采样，每次采样时令无激光信号的传感器状态为编码0，有激光信号的传感器状态编码为1，以获得激光接收传感器阵列的每一行激光信号状态数组；

2) 对多次采样的每一行激光信号状态数组分别进行与操作，获得对应每一行的新数组；

3) 将经过与操作的每一行新数组中状态编码进行加法运算并进行比较，取数值最大的一行为光斑对应中心行；

4) 记录中心行的状态编码为1 的传感器对应的宽度为核心光斑的直径，并选定处于直径中心位置的传感器位置为光斑中心。