一種用于激光測距多邊法定位的多面體合作目標及其距離獲取方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于激光測距多邊法定位的多面體合作目標及其距離獲取方法，其特征是多面體合作目標是由上棱臺、棱柱和下棱臺依次連接而成，上棱臺的底面為棱柱的頂面，下棱臺的頂面為棱柱的底面；上棱臺和下棱臺均為正八棱臺；棱柱為側(cè)面是正方形的正八棱柱；令上棱臺的頂面各邊長與下棱臺的底面各邊長相等。本發(fā)明能在合作目標上找到合適的測量點，實現(xiàn)多個測量基站對空間中同一點的距離測算，從而獲得測量對象的待測點的空間坐標。
【專利說明】一種用于激光測距多邊法定位的多面體合作目標及其距離 獲取方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及超大幾何參量測量，屬于坐標測量領域，具體地說是一種用于激光測 距多邊法定位的多面體合作目標及其距離獲取方法。

【背景技術】
[0002] 隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品的尺寸已經(jīng)達到幾十甚至數(shù)百米。這就意味測量范 圍也隨之擴大，對超大幾何參量的測量提出了現(xiàn)實要求。超大幾何參量的測量可以通過測 量一些目標點的空間坐標，即對目標點進行定位來間接實現(xiàn)。近些年，超大尺寸幾何參量測 量技術在工業(yè)制造領域中得到了廣泛應用，比如大型飛機和輪船制造等。
[0003] 利用激光測距多邊法定位在一定程度上可以滿足超大尺寸幾何參量的測量需求。 如圖1所示，多個測量基站1對測量對象A(飛機）上同一點T進行測距，根據(jù)兩點間的空 間距離方程可解算出待測點的空間坐標。具體原理如下：
[0004] 現(xiàn)假設已知測量基站Mi的二維旋轉(zhuǎn)中心坐標為

【權利要求】
1. 一種用于激光測距多邊法定位的多面體合作目標，其特征是： 所述多面體合作目標是由上棱臺、棱柱和下棱臺依次連接而成，所述上棱臺的底面為 所述棱柱的頂面，所述下棱臺的頂面為所述棱柱的底面；所述上棱臺和下棱臺均為正八棱 臺；所述棱柱為側(cè)面是正方形的正八棱柱；令所述上棱臺的頂面各邊長以及所述下棱臺的 底面各邊長均為l s ;令所述上棱臺的側(cè)棱長、所述下棱臺側(cè)棱長以及所述棱柱的各邊長均 為lb;且邊長13和4滿足式（1):
(1).
2. -種利用權利要求書1所述的用于激光測距多邊法定位的多面體合作目標的距離 獲取方法，其特征是按如下步驟進行： 步驟1、建立激光測距多邊法定位坐標測量系統(tǒng)： 所述激光測距多邊法定位坐標測量系統(tǒng)是用于獲得測量對象的待測點坐標；所述系統(tǒng) 的組成包括：數(shù)量不少于三個的測量基站和目標基站；所述測量基站包括：激光測距儀、二 維旋轉(zhuǎn)機構和無線測距信標節(jié)點，所述激光測距儀安裝在所述二維旋轉(zhuǎn)機構上，并能以所 述二維旋轉(zhuǎn)機構的旋轉(zhuǎn)中心為旋轉(zhuǎn)點進行二維旋轉(zhuǎn)，且所述激光測距儀的測距起始點與所 述旋轉(zhuǎn)中心重合，所述無線測距信標節(jié)點的測距信號接收點與所述旋轉(zhuǎn)中心在同一重力線 上；所述目標基站設置在所述測量對象的待測點上并由所述多面體合作目標、用于支撐所 述多面體合作目標的支架和無線測距移動節(jié)點組成，所述無線測距移動節(jié)點的測距信號發(fā) 射點、所述多面體合作目標的幾何中心點以及所述待測點在同一重力線上； 步驟2、調(diào)整目標基站和測量基站的位姿并建立測距掃描坐標系； 將所述多面體合作目標通過支架水平放置在測量對象上，使得所述多面體合作目標的 上棱臺頂面與水平面平行； 選擇所述激光測距多邊法定位坐標測量系統(tǒng)中任意一個測量基站為主測量基站；將所 述主測量基站水平放置，使得所述主測量基站的二維旋轉(zhuǎn)機構能進行水平方向的旋轉(zhuǎn)以及 俯仰方向的旋轉(zhuǎn)；控制所述主測量基站的二維旋轉(zhuǎn)機構的旋轉(zhuǎn)方向使得所述主測量基站的 激光測距儀的測距光線與水平面平行；控制所述激光測距多邊法定位坐標測量系統(tǒng)中其他 測量基站的二維旋轉(zhuǎn)機構的旋轉(zhuǎn)方向，使得其他激光測距儀的測距光線與主測量基站的激 光測距儀的測距光線平行且射出方向一致； 以所述主測量基站的二維旋轉(zhuǎn)機構旋轉(zhuǎn)中心為原點，以所述主測量基站的激光測距儀 的測距光線的射出方向為Y軸正方向；以垂直于水平面向下的方向為Z軸正方向；通過右 手螺旋定則獲得X軸正方向，從而建立測距掃描坐標系0-ΧΥΖ ; 步驟3、獲得所述多面體合作目標的幾何中心點的初始坐標和掃描基站的二維旋轉(zhuǎn)機 構旋轉(zhuǎn)中心的初始坐標； 選擇所述激光測距多邊法定位坐標測量系統(tǒng)中任意一個測量基站為掃描基站，利用所 述無線測距信標節(jié)點和所述無線測距移動節(jié)點獲得在所述測距掃描坐標系0-ΧΥΖ下所述 多面體合作目標幾何中心點的初始坐標（X H，yH，ZH)，以及所述掃描基站的二維旋轉(zhuǎn)機構的 旋轉(zhuǎn)中心的初始坐標（x E，yE，zE); 步驟4、所述掃描基站的激光測距儀以水平轉(zhuǎn)角Λ和俯仰轉(zhuǎn)角ω(ι進行旋轉(zhuǎn)；從而使所 述掃描基站的激光測距儀測距光線照射到所述多面體合作目標上，并在所述多面體合作目 標上形成測距光點； 4. 1利用式（2)獲得所述水平轉(zhuǎn)角ft =
(2) 式（2)中，水平轉(zhuǎn)角％為所述掃描基站的激光測距儀測距光線在所述測距掃描坐標系 0-ΧΥΖ中XY平面上的投影與XZ平面的夾角，并以Z軸正方向上法平面的順時針方向為水平 轉(zhuǎn)角魏的正方向； 利用式（3)獲得所述俯仰轉(zhuǎn)角ω(1 :
(3) 式⑶中，俯仰轉(zhuǎn)角％為所述測距光線與所述測距掃描坐標系0-ΧΥΖ中的ΧΥ平面的 夾角，以遠離Ζ軸負方向俯仰轉(zhuǎn)角的正方向； 4. 2利用所述掃描基站的激光測距儀獲得在水平轉(zhuǎn)角％和俯仰轉(zhuǎn)角ω(ι下掃描基站的 二維旋轉(zhuǎn)機構旋轉(zhuǎn)中心到所述多面體合作目標幾何中心點的初始距離值屯； 步驟5:保持俯仰轉(zhuǎn)角％不變，所述掃描基站以等間隔的角度增量在水平角
內(nèi)進行測距掃描； 5. 1將所述掃描基站的二維旋轉(zhuǎn)機構在水平方向上以角度
進行旋轉(zhuǎn)，以 達到水平測距掃描的初始角度，并記錄所述初始角度為水平轉(zhuǎn)角《 ? 利用所述掃描基站的激光測距儀獲得在水平轉(zhuǎn)角ft和俯仰轉(zhuǎn)角ω ^下掃描基站的二維 旋轉(zhuǎn)機構旋轉(zhuǎn)中心到所述多面體合作目標幾何中心點的距離值dn ; 5. 2所述掃描基站的二維旋轉(zhuǎn)機構以水平轉(zhuǎn)角錢為起始點，以角度增量
為 旋轉(zhuǎn)單位，在水平方向上進行旋轉(zhuǎn)直至水平轉(zhuǎn)角大于角度
為止，依次記 錄水平轉(zhuǎn)角{Φ2, Φ3，…，Φη};利用所述掃描基站的激光測距儀獲得與所述水平轉(zhuǎn)角{Φ2， φ3，…，φη} -一對應的距離值{d12, d13，…，dln};從而獲得所述掃描基站的激光測距儀在水
內(nèi)進行測距掃描時的距離值{dn，d 12, d13,…，dln}; 所述角度增量
中，d。為所述多面體合作目標上的測距光點在測距光線法面 方向上的移動距離； 步驟6 :從所述距離值{dn，d12, d13，…，dln}中提取位于所述多面體合作目標上的距離 值； 6. 1從所述距離值{dn, d12, d13,…，dln}中選出最小值dn，2彡i彡n-1 ;并利用式（4) 和式（5)依次獲得扎與之間距離值的前向差分值▽ j以及dlk與d1(k+1)之間距離值 的后向差分值Ak，2彡j彡i，i彡k彡n-1 ; ▽ j = diU-1 廠 du (4) A k = dKk+D-dik (5) 6. 2若所述前向差分值▽」大于lb，則從所述距離值{dn，d12, d13，…，dln}中去除dn至 cWd之間的測距值；若所述后向差分值Ak大于lb，貝丨J從所述距離值{dn，d 12, d13,…，dln} 中去除d1(k+1)至dln之間測距值；從而獲得位于所述多面體合作目標上的水平距離值 {dij, ···, dlk}； 步驟7 :從所述水平距離值{屯，d1(j+1)，…，dlk}中找出水平轉(zhuǎn)折點并標記為仏，Z 2，… ，Zm}，以所述水平轉(zhuǎn)折點{Zu Z2，…，Zm}為間隔點對所述水平距離值{dw d1(j+1)，…，dlk}進 行分組，獲得m+1個水平分組距離值； 求出所述各水平分組距離值的平均值，并令所述平均值最小的水平分組距離值所對應 的兩個水平轉(zhuǎn)折點為水平邊界點； 步驟8 :獲得所述水平邊界點所對應的兩個水平轉(zhuǎn)角的角度均值并將所述掃描基 站的二維旋轉(zhuǎn)機構在水平方向上旋轉(zhuǎn)到所述角度均值

步驟9 :所述掃描基站在所述角度均值
下，以等間隔角度在俯仰角
內(nèi)進行測距掃描； 9. 1將所述掃描基站的二維旋轉(zhuǎn)機構在俯仰方向上以角虔
進行旋轉(zhuǎn)，以 達到俯仰測距掃描的初始角度，并記錄所述初始角度為俯仰轉(zhuǎn)角; 利用所述掃描基站的激光測距儀獲得在角度均值
1?俯仰轉(zhuǎn)角ω i下掃描基站的二維 旋轉(zhuǎn)機構旋轉(zhuǎn)中心到所述多面體合作目標的距離值d21 ; 9. 2所述掃描基站的二維旋轉(zhuǎn)機構以俯仰轉(zhuǎn)角％為起始點，以角度增量
為旋轉(zhuǎn)單位，在俯仰方向上進行旋轉(zhuǎn)直至俯仰轉(zhuǎn)角大于角度
為止，依次 記錄俯仰轉(zhuǎn)角{ω2, ω3，…，ωρ};利用所述掃描基站的激光測距儀獲得與所述俯仰轉(zhuǎn)角 {ω2, ω3，…，ωρ} -一對應的距離值{d22, d23，…，d2p};從而獲得所述激光測距儀在俯仰角
內(nèi)進行測距掃描時的距離值{d21，d 22, d23，…，d2p}; 步驟10 :從所述距離值{d21，d22, d23，…，d2p}中提取位于所述多面體合作目標上的距離 值； 10. 1從所述距離值{d21, d22, d23，…，d2p}中選出最小值d2q，2彡q彡p-ι ;并利用式（6) 和式（7)依次獲得屯與d2(rf之間距離值的前向差分值▽ ^以及d2s與d2(s+1)之間距離值 的后向差分值 As，2<ri^q，;ri^si^ p-1 ;
10. 2若所述前向差分值▽ r大于lb，則從所述距離值{d21，d22, d23，…，d2p}中去除d21 至之間的測距值；若所述后向差分值△ s大于lb，則從所述距離值{d21，d22, d23，··· ，d2p}中去除d2(s+1)至d 2p之間測距值；從而獲得位于所述多面體合作目標上的俯仰距離值 {d2r，d2(r+1)，…，d2s}; 步驟11 :從所述俯仰距離值{屯，d2(rt)，…，d2s}中找出俯仰轉(zhuǎn)折點并標記為{Yi，Y 2，… ，Yt}，以所述俯仰轉(zhuǎn)折點{Yi，Y2，…，Yt}為間隔點對所述俯仰距離值{d &，d2(rt)，…，d2s}進 行分組，獲得t+ι個俯仰分組距離值； 求出所述各俯仰分組距離值的平均值，并令所述平均值最小的俯仰分組距離值所對應 的兩個俯仰轉(zhuǎn)折點Yx和Yx+1為俯仰邊界點，2 < X < t-ι ; 步驟12 :以所述俯仰轉(zhuǎn)折點Yx與之間距離值所對應的俯仰轉(zhuǎn)角為自變量，以所述 俯仰轉(zhuǎn)折點Yx與之間距離值為因變量，獲得左線性回歸曲線U ; 將所述俯仰轉(zhuǎn)折點Υχ與所對應的俯仰轉(zhuǎn)角ω ' 1和ω ' 2代入所述左線性回歸曲 線1^中分別獲得距離值&和
以所述俯仰轉(zhuǎn)折點Υχ+1與Υχ+2之間距離值所對應的俯仰轉(zhuǎn)角為自變量，以所述俯仰轉(zhuǎn) 折點Υχ+1與Yx+2之間距離值為因變量，獲得右線性回歸曲線l2 ; 將所述俯仰轉(zhuǎn)折點Yx+1與Yx+2所對應的俯仰轉(zhuǎn)角ω ' 3和ω ' 4代入所述右線性回歸 曲線L2中分別獲得距離值&和
步驟13 :利用式（8)獲得所述掃描基站的測距光線與所述合作目標的夾角γ :
(8) 步驟14 :以所述俯仰轉(zhuǎn)折點Yx與Yx+1之間距離值所對應的俯仰轉(zhuǎn)角為自變量，以所述 俯仰轉(zhuǎn)折點Υχ與Υχ+1之間距離值為因變量，獲得線性回歸曲線L3 ;分別獲得所述線性回歸 曲線L3與所述左線性回歸曲線Li和所述右線性回歸曲線L2的交點(4,is)和(夂,4); 步驟15 :按式（9)獲得所述掃描基站的激光測距儀的測距起始點與所述多面體合作目 標的幾何中心點的距離D :
(9) 步驟16 :將所述激光測距多邊法定位坐標測量系統(tǒng)中其他測量基站依次作為掃描基 站并按照步驟3-步驟15進行處理，獲得各自掃描基站的激光測距儀的測距起始點到所述 多面體合作目標幾何中心點的距離，從而通過空間兩點間距離公式獲得所述多面體合作目 標幾何中心點的坐標，并根據(jù)所述多面體合作目標的幾何中心點與所述測量對象的待測點 的空間位置關系獲得所述測量對象的待測點坐標。
【文檔編號】G01B11/00GK104154860SQ201410384887
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月5日 優(yōu)先權日:2014年8月5日
【發(fā)明者】余曉芬, 張紅英, 胡進忠 申請人:合肥工業(yè)大學