專利名稱：激光三點動態(tài)定位方法及系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于自動定位技術領域，涉及激光三點動態(tài)定位方法及系統(tǒng)。
背景技術：
自動定位技術是電子信息技術、計算機技術、控制技術等多種學科的綜合，在現(xiàn)代工農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)中的應用越來越廣，如精細農(nóng)業(yè)中的耕、種、播、收、藥物噴灑、除草、信息采集、 變量產(chǎn)量圖生成及變量投入作業(yè)，工農(nóng)建筑行業(yè)中的土地平整，車輛自動行走等方面，都需 應用自動定位技術。
目前應用較為廣泛的定位系統(tǒng)有全球定位系統(tǒng)、無線電定位、視覺定位、慣性傳感器定 位等。 一般來說，高精度GPS定位系統(tǒng)復雜，造價昂貴，而價格較低的GPS系統(tǒng)，定位精度不 夠，無法對運動物體進行精確定位；無線電定位由于其工作均與無線電波的傳播有關，因而 在一定程度上受氣候、地形、位置及電磁干擾的影響；視覺定位具有信息探測范圍寬，目標 信息完整等優(yōu)點，但遠距離定位精度差，受惡劣環(huán)境的影響較大；慣性傳感器是一種自主式 定位方法，完全依靠設備自主地完成定位任務，工作不受天氣條件的限制，在短時間內(nèi)定位 精度高，長時間工作時存在累積誤差，定位精度、可靠性都會下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的所要解決的技術問題是提供一種激光三點動態(tài)定位方法及系統(tǒng)，本技術可用于 對無標識環(huán)境下野外作業(yè)的運動物體進行動態(tài)定位，定位精度高、操作原理簡單。 為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案為
一種激光三點動態(tài)定位方法，其特征在于，在固定位置設置2個基站第一基站和第二 基站，在運動目標上設置主站；所述的基站發(fā)射激光到主站；所述的基站與主站無線通信連 接；定義基線為第一基站和第二基站的連線；第一基站采集主站相對于第一基站與基線之間 的夾角a;第二基站采集主站相對于第二基站與基線之間的夾角e;第一基站和第二基站分 別將夾角a和夾角e通過第一基站和第二基站上的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送給主站；主站根據(jù) 夾角a、夾角e與基線長度L確定主站的位置。
夾角計算方法為
當主站的激光接收器接收到基站的激光信號，主站通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊向基站發(fā)送信 息，要求基站將當前的夾角通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送到主站。夾角采集的方法為基站CPU單元通過水平回轉電機控制器控制水平回轉電機工作，同時記錄水平回轉步進電機步數(shù)
，根據(jù)公式夾角=(360° /!!)*步數(shù)，將步數(shù)轉換為回轉角度，即基站與基線的夾角(其中
，初始步數(shù)為0，步進電機細分數(shù)為n)。另外，也可以采用編碼盤傳感器采集夾角，編碼盤 隨水平回轉平臺轉動，檢測傳感器采集編碼盤轉動信息以脈沖的形式送入CPU，由CPU記錄脈 沖數(shù)，若編碼盤解析分度為n，則根據(jù)公式夾角=(360° /!!)*脈沖數(shù)。 主站位置的計算公式為
<formula>formula see original document page 5</formula> ;(o，o)為第一基站的位置坐標，(L， o)為第二
基站的位置坐標，(x，y)為主站即運動目標的當前位置的坐標。
主站分別采用加速度傳感器和陀螺儀實時檢測運動目標的加速度和運動方向，并將加速 度和運動方向參數(shù)發(fā)送給基站，便于基站的激光發(fā)射器實時追蹤主站的激光接收器。
一種激光三點動態(tài)定位系統(tǒng)，其特征在于，包括2個位置固定的基站和一個設置在運動 目標上的主站；所述的基站上設置有激光發(fā)射器；所述的主站上設置有激光接收器；
所述的基站包括基站微處理器、基站無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、水平回轉電機控制器和水平回 轉電機；所述的基站無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和水平回轉電機控制器均與基站微處理器連接；基站 微處理器通過水平回轉電機控制器控制水平回轉電機；由水平回轉電機帶動激光發(fā)射器轉動
所述的主站包括主站微處理器、主站無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、加速度傳感器、陀螺儀；激 光接收器與主站微處理器連接，所述的主站無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、加速度傳感器、陀螺儀和激 光接收器均與所述的主站微處理器連接；
所述的主站無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和基站無線數(shù)據(jù)傳輸模塊通信連接。
基站還包括水平檢測模塊、水平調(diào)節(jié)電機控制器和水平調(diào)節(jié)電機；所述的水平檢測模塊 和水平調(diào)節(jié)電機控制器均與所述的基站微處理器連接，基站微處理器通過水平調(diào)節(jié)電機控制 器控制水平調(diào)節(jié)電機。
激光發(fā)射器不與基站微處理器直接連接，而是上電即工作，不停的發(fā)出激光信號。CPU 是控制水平回轉步進電機轉動，步進電機則帶動其上的激光發(fā)射器轉動，使激光發(fā)射器可以 追蹤主站上的激光接收器。
激光接收器由光敏元件組成，通過數(shù)據(jù)選擇器后直接接到主站微處理器的i/o端口，當 主站的激光接收器上的光敏元件接收到激光信號時，主站微處理器的i/o將檢測為高電平， 此時主站微處理器將通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊向基站發(fā)送信息，要求基站將當前的夾角通過無 線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送到主站。本發(fā)明所具有的有益效果
本發(fā)明采用激光三點定位技術，由兩個基站之間的基線距離和通過采集到的兩個激光光 束與基線之間的水平夾角三個參數(shù)，運用三角函數(shù)公式運算得出運動物體的實時位置坐標與 速度等信息，原理與操作簡單。同時，采用加速度傳感器和陀螺儀實時檢測運動物體的加速 度和運動方向，便于基站的激光發(fā)射器實時追蹤主站的激光接收器，對運動物體進行動態(tài)定 位，在每次激光三點定位測算出一組定位數(shù)據(jù)后，以此數(shù)據(jù)對加速度傳感器和陀螺儀所測數(shù) 據(jù)進行校正，降低了累積誤差。主站上的激光接收器由一些光電元件密布組成，接收面積大 ，可以克服由于運動物體的震動出現(xiàn)激光信號入射角度太大以至于接收不到信號或出現(xiàn)較大 誤差等問題，定位精度高。又由于激光具有人眼安全及較高的大氣透過率、體積小、波束窄 、成本低、抗電磁干擾、距離及位置探測精度高等優(yōu)點，因此本發(fā)明的定位系統(tǒng)受外界環(huán)境 影響較小、成本較低。
依據(jù)上面的分析，相對于GPS定位系統(tǒng)，本系統(tǒng)性價比高、響應速度快；相對于無線電 定位系統(tǒng)，本系統(tǒng)不受位置及電磁干擾的影響；相對于視覺定位系統(tǒng)，本系統(tǒng)定位精度高、 不受惡劣環(huán)境影響；相對于單慣性傳感器定位方法，本系統(tǒng)累計誤差低、定位精度高、可靠 性強。


圖l基站結構示意圖2基站控制器框圖3移動主站結構示意圖4移動主站控制器框圖5激光三點動態(tài)定位原理示意圖。
圖中標號說明
I- 水平檢測模塊；2-水平回轉平臺，3-激光發(fā)射器；4-水平回轉電機，5-水平調(diào)節(jié)電機 ;6-支撐圓板，7-水平調(diào)節(jié)絲桿；8-可調(diào)三腳架；9-連接桿，10-基站控制器。
II- 激光接收器，12-主站控制器，13-支架，14-底座。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。 實施例l :
激光三點動態(tài)定位系統(tǒng)由兩個基站和一個移動主站組成。兩個基站分別由激光發(fā)射器、水平回轉平臺、水平回轉角度測量模塊、水平檢測模塊和 基站控制器組成。
如圖1所示，整個基站固定在高度可調(diào)的三角架8上，激光發(fā)射器3安裝在水平轉動平臺 2上，水平回轉平臺2上還安裝有水平檢測模塊1，水平轉動平臺2通過水平回轉電機4帶動在 水平面上來回轉動，該電機自帶水平回轉角度測量模塊，水平回轉電機4、水平調(diào)節(jié)電機5與 支撐圓板6固接，支撐圓板6和底座9是通過三根桿連接的，三根桿分布在以圓板的圓心為中 心的等邊三角形的三個頂點上，其中桿10下端和底座9固接，上端和支撐圓板鉸接，絲桿7下 端與底座9通過螺紋連接，上端與水平調(diào)節(jié)電機5的軸固接。
2個基站的激光發(fā)射器所發(fā)射的激光分別為兩種不同波長的光，便于接收時的區(qū)別。激 光發(fā)射器安裝在水平回轉平臺上，水平回轉平臺由水平回轉電機控制，可以進行水平方向 360°來回轉動，同時，CPU單元測算水平回轉平臺上激光發(fā)射器所發(fā)光束與基線之間的水平 夾角，水平調(diào)節(jié)電機和水平檢測模塊在安裝時調(diào)節(jié)基站水平。
兩個基站的控制器分別由電源模塊、顯示模塊、鍵盤、CPU單元和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組 成。CPU單元為中央處理單元，接收基站水平回轉角度測量模塊和基站水平檢測模塊信號， 控制水平回轉電機和水平調(diào)節(jié)電機運轉。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊用于基站和主站之間的通訊。
移動主站主要由主站控制器、激光接收器、支架和底座構成。如圖3所示，激光接收器 11和主站控制器12都與支架13固接，支架13固接在底座14上，底座14用來和其他的可移動的 物體連接。
移動主站的激光接收器由一些光電傳感器組成，可檢測兩個基站發(fā)出的不同波長的激光 信號。移動主站的控制器部分由CPU單元、加速度傳感器、陀螺儀單元、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊 、電源模塊、顯示模塊、鍵盤和執(zhí)行輸出模塊組成。CPU單元為中央處理單元，可接收激光 接收器的信號，即當有激光信號到激光接收器上的時候，CPU的對應I/0檢測到高電平信號， 在此基礎上，CPU通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊向基站要求傳送當時的夾角。加速度傳感器和陀螺 儀用于測量主站所在物體的加速度和運動方向；無線數(shù)據(jù)傳輸模塊用于基站和主站之間的通 訊；執(zhí)行輸出用于輸出控制信號控制機械運動。
工作原理
在工作之前，將兩個基站以一定的距離固定在地面上，采用水平檢測模塊內(nèi)的傾角傳感 器檢測水平回轉平臺與水平面的傾斜數(shù)據(jù)，并將檢測到的傾斜數(shù)據(jù)傳送到基站控制器的CPU 單元，由CPU單元控制基站上的兩個水平調(diào)節(jié)電機帶動絲桿旋轉，從而改變底座與支撐圓盤 的相對角度，使水平回轉平臺保持水平。兩個基站之間的連線定義為基線，基線長度為L。移動主站安裝在運動物體上，可以隨運動物體一起移動。
在檢測到基站的激光信號的情況下，主站的CPU單元控制通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊按一定 時間間隔發(fā)送確認信號到基站，要求基站采集當時的回轉角度信息，主站向基站發(fā)送確認信 號的頻率是CPU單元根據(jù)運動物體當前的速度信息和定位精度要求實時調(diào)整的。例如主站
移動速度為10km/小時，定位精度誤差要求在3cm以內(nèi)，則可以采用100Hz的頻率?；窘邮?到信號后，通過計算步進電機步進數(shù)，采集當時水平回轉平臺上激光發(fā)射器激光光束與基線 之間的水平夾角，如圖5所示的a、 e，通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送到主站，使主站的CPU單 元根據(jù)兩個角度a 、 6信息和已知的基線長度L三個參數(shù)計算出運動物體當時的相對位置與 速度信息，對運動物體進行動態(tài)定位。
加速度傳感器和陀螺儀因存在累積誤差，在長時間工作時精度會下降，為降低累積誤差 ，保證激光發(fā)射器可以實時追蹤到主站的激光接收器，在每次通過激光三點定位測算出一組 定位信息后，以此數(shù)據(jù)為基礎，再利用加速度傳感器和陀螺儀的實時加速度和方向數(shù)據(jù)測算 出主站所在物體的位置和速度數(shù)據(jù)，預估運動物體的運動趨勢，從而控制水平回轉平臺帶動 激光發(fā)射器對主站上的激光接收器進行追蹤。
運動物體尚未移動前，基站上的激光發(fā)射器所發(fā)射的激光束對準主站上的激光接收器， 測出主站初始位置，便于之后的軌跡跟蹤。
運動物體移動開始，主站上的加速度傳感器檢測運動物體的加速度，陀螺儀檢測運動物 體的運動方向，通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送到基站上，基站的CPU單元依據(jù)主站初始位置、 初速度及所得的加速度和運動方向數(shù)據(jù)控制水平回轉電機的轉動方向與速度，使水平回轉平 臺所帶激光發(fā)射器實時追蹤主站上的激光接收器，從而保證主站上的激光接收器可以不間斷 檢測到基站的激光信號。
原理框圖如圖5所示
其中，L為已知的基線距離長度，a、 e為激光發(fā)射器基準面與基線水平夾角，(O，O)為 第一基站的位置坐標，定義為基點，(L， 0)為第二基站的位置坐標，(x，y)為運動機械
移動到當前位置的坐標，根據(jù)a、 a、 e三個參數(shù)，由公式
r妙 r妙.W
I = L- 少=丄-
妙+W 妙+ ^
可得運動物體的位置坐標信息。
權利要求
1.一種激光三點動態(tài)定位方法，其特征在于，在固定位置設置2個基站第一基站和第二基站，在運動目標上設置主站；所述的基站發(fā)射激光到主站；所述的基站與主站無線通信連接；定義基線為第一基站和第二基站的連線；第一基站采集主站相對于第一基站與基線之間的夾角α；第二基站采集主站相對于第二基站與基線之間的夾角β；第一基站和第二基站分別將夾角α和夾角β通過第一基站和第二基站上的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送給主站；主站根據(jù)夾角α、夾角β與基線長度L確定主站的位置。
2 根據(jù)權利要求l所述的激光三點動態(tài)定位方法，其特征在于，主站位置的計算公式為, 妙,妙^ I = L- 7 =丄-^s+^"; ; (o，o)為第一基站的位置坐標，a， o)為第二基站的位置坐標，(x，y)為主站即運動目標的當前位置的坐標。
3 根據(jù)權利要求l所述的激光三點動態(tài)定位方法，其特征在于，主站 分別采用加速度傳感器和陀螺儀實時檢測運動目標的加速度和運動方向，并將加速度和運動 方向參數(shù)發(fā)送給基站，便于基站的激光發(fā)射器實時追蹤主站的激光接收器。
4 一種激光三點動態(tài)定位系統(tǒng)，其特征在于，包括2個位置固定的基 站和一個設置在運動目標上的主站；所述的基站上設置有激光發(fā)射器；所述的主站上設置有 激光接收器；所述的基站包括基站微處理器、基站無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、水平回轉電機控制器和水平 回轉電機；所述的基站無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和水平回轉電機控制器均與基站微處理器連接；基 站微處理器通過水平回轉電機控制器控制水平回轉電機；由水平回轉電機帶動激光發(fā)射器轉動。所述的主站包括主站微處理器、主站無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、加速度傳感器、陀螺儀； 激光接收器與主站微處理器連接，所述的主站無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、加速度傳感器、陀螺儀和 激光接收器均與所述的主站微處理器連接；所述的主站無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和基站無線數(shù)據(jù)傳輸模塊通信連接。
5.根據(jù)權利要求4所述的激光三點動態(tài)定位系統(tǒng)，其特征在于，基站 還包括水平檢測模塊、水平調(diào)節(jié)電機控制器和水平調(diào)節(jié)電機；所述的水平檢測模塊和水平調(diào) 節(jié)電機控制器均與所述的基站微處理器連接，基站微處理器通過水平調(diào)節(jié)電機控制器控制水 平調(diào)節(jié)電機。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光三點動態(tài)定位方法及系統(tǒng)，該方法為在固定位置設置2個基站第一基站和第二基站，在運動目標上設置主站；所述的基站發(fā)射激光到主站；所述的基站與主站無線通信連接；定義基線為第一基站和第二基線的連線；第一基站采集主站相對于第一基站與基線之間的夾角α；第二基站采集主站相對于第二基站與基線之間的夾角β；第一基站和第二基站分別將夾角α和夾角β發(fā)送給主站；主站根據(jù)夾角α、夾角β與基線長度L確定主站的位置。依據(jù)該方法構造了激光三點動態(tài)定位系統(tǒng)。本技術可用于對無標識環(huán)境下野外作業(yè)的運動物體進行動態(tài)定位，定位精度高、操作原理簡單、實現(xiàn)成本低。
文檔編號G01S5/16GK101672913SQ20091030890
公開日2010年3月17日 申請日期2009年10月27日 優(yōu)先權日2009年10月27日
發(fā)明者奕 王, 羅亞輝, 胡文武, 艾衛(wèi)中, 蘋 蔣, 謝昌盛, 謝艷群 申請人:湖南農(nóng)業(yè)大學