一种多面体合作目标及其距离获取方法

摘要

本发明公开了一种用于激光测距多边法定位的多面体合作目标及其距离获取方法，其特征是多面体合作目标是由上棱台、棱柱和下棱台依次连接而成，上棱台的底面为棱柱的顶面，下棱台的顶面为棱柱的底面；上棱台和下棱台均为正八棱台；棱柱为侧面是正方形的正八棱柱；令上棱台的顶面各边长与下棱台的底面各边长相等。本发明能在合作目标上找到合适的测量点，实现多个测量基站对空间中同一点的距离测算，从而获得测量对象的待测点的空间坐标。

主权项

一种用于激光测距多边法定位的多面体合作目标的距离获取方法，其特征是：所述多面体合作目标是由上棱台、棱柱和下棱台依次连接而成，所述上棱台的底面为所述棱柱的顶面，所述下棱台的顶面为所述棱柱的底面；所述上棱台和下棱台均为正八棱台；所述棱柱为侧面是正方形的正八棱柱；令所述上棱台的顶面各边长以及所述下棱台的底面各边长均为l_s；令所述上棱台的侧棱长、所述下棱台侧棱长以及所述棱柱的各边长均为l_b；且边长l_s和l_b满足式(1)：$l_s=(\sqrt{2}-1)l_b---\left(1\right)$所述距离获取方法是按如下步骤进行：步骤1、建立激光测距多边法定位坐标测量系统：所述激光测距多边法定位坐标测量系统是用于获得测量对象的待测点坐标；所述系统的组成包括：数量不少于三个的测量基站和目标基站；所述测量基站包括：激光测距仪、二维旋转机构和无线测距信标节点，所述激光测距仪安装在所述二维旋转机构上，并能以所述二维旋转机构的旋转中心为旋转点进行二维旋转，且所述激光测距仪的测距起始点与所述旋转中心重合，所述无线测距信标节点的测距信号接收点与所述旋转中心在同一重力线上；所述目标基站设置在所述测量对象的待测点上并由所述多面体合作目标、用于支撑所述多面体合作目标的支架和无线测距移动节点组成，所述无线测距移动节点的测距信号发射点、所述多面体合作目标的几何中心点以及所述待测点在同一重力线上；步骤2、调整目标基站和测量基站的位姿并建立测距扫描坐标系；将所述多面体合作目标通过支架水平放置在测量对象上，使得所述多面体合作目标的上棱台顶面与水平面平行；选择所述激光测距多边法定位坐标测量系统中任意一个测量基站为主测量基站；将所述主测量基站水平放置，使得所述主测量基站的二维旋转机构能进行水平方向的旋转以及俯仰方向的旋转；控制所述主测量基站的二维旋转机构的旋转方向使得所述主测量基站的激光测距仪的测距光线与水平面平行；控制所述激光测距多边法定位坐标测量系统中其他测量基站的二维旋转机构的旋转方向，使得其他激光测距仪的测距光线与主测量基站的激光测距仪的测距光线平行且射出方向一致；以所述主测量基站的二维旋转机构旋转中心为原点，以所述主测量基站的激光测距仪的测距光线的射出方向为Y轴正方向；以垂直于水平面向下的方向为Z轴正方向；通过右手螺旋定则获得X轴正方向，从而建立测距扫描坐标系O‑XYZ；步骤3、获得所述多面体合作目标的几何中心点的初始坐标和扫描基站的二维旋转机构旋转中心的初始坐标；选择所述激光测距多边法定位坐标测量系统中任意一个测量基站为扫描基站，利用所述无线测距信标节点和所述无线测距移动节点获得在所述测距扫描坐标系O‑XYZ下所述多面体合作目标几何中心点的初始坐标(x_H,y_H,z_H)，以及所述扫描基站的二维旋转机构的旋转中心的初始坐标(x_E,y_E,z_E)；步骤4、所述扫描基站的激光测距仪以水平转角和俯仰转角ω₀进行旋转；从而使所述扫描基站的激光测距仪测距光线照射到所述多面体合作目标上，并在所述多面体合作目标上形成测距光点；4.1利用式(2)获得所述水平转角式(2)中，水平转角为所述扫描基站的激光测距仪测距光线在所述测距扫描坐标系O‑XYZ中XY平面上的投影与XZ平面的夹角，并以Z轴正方向上法平面的顺时针方向为水平转角的正方向；利用式(3)获得所述俯仰转角ω₀：${\omega }_0=asin\frac{z_H-z_E}{\sqrt{{(x_H-x_E)}^2+{(y_H-y_E)}^2+{(z_H-z_E)}^2}}---\left(3\right)$式(3)中，俯仰转角ω₀为所述测距光线与所述测距扫描坐标系O‑XYZ中的XY平面的夹角，以远离Z轴负方向俯仰转角ω₀的正方向；4.2利用所述扫描基站的激光测距仪获得在水平转角和俯仰转角ω₀下扫描基站的二维旋转机构旋转中心到所述多面体合作目标几何中心点的初始距离值d₀；步骤5：保持俯仰转角ω₀不变，所述扫描基站以等间隔的角度增量在水平角内进行测距扫描；5.1将所述扫描基站的二维旋转机构在水平方向上以角度进行旋转，以达到水平测距扫描的初始角度，并记录所述初始角度为水平转角利用所述扫描基站的激光测距仪获得在水平转角和俯仰转角ω₀下扫描基站的二维旋转机构旋转中心到所述多面体合作目标几何中心点的距离值d₁₁；5.2所述扫描基站的二维旋转机构以水平转角为起始点，以角度增量为旋转单位，在水平方向上进行旋转直至水平转角大于角度为止，依次记录水平转角{φ₂，φ₃，…，φ_n}；利用所述扫描基站的激光测距仪获得与所述水平转角{φ₂，φ₃，…，φ_n}一一对应的距离值{d₁₂,d₁₃,…,d_1n}；从而获得所述扫描基站的激光测距仪在水平角内进行测距扫描时的距离值{d₁₁,d₁₂,d₁₃,…,d_1n}；所述角度增量中，d_c为所述多面体合作目标上的测距光点在测距光线法面方向上的移动距离；步骤6：从所述距离值{d₁₁,d₁₂,d₁₃,…,d_1n}中提取位于所述多面体合作目标上的距离值；6.1从所述距离值{d₁₁,d₁₂,d₁₃,…,d_1n}中选出最小值d_1i，2≤i≤n‑1；并利用式(4)和式(5)依次获得d_1j与d_1(j‑1)之间距离值的前向差分值以及d_1k与d_1(k+1)之间距离值的后向差分值Δ_k，2≤j≤i，i≤k≤n‑1；${▿}_j=d_{1(j-1)}-d_{1j}---\left(4\right)$Δ_k＝d_1(k+1)‑d_1k   (5)6.2若所述前向差分值大于l_b，则从所述距离值{d₁₁,d₁₂,d₁₃,…,d_1n}中去除d₁₁至d_1(j‑1)之间的测距值；若所述后向差分值Δ_k大于l_b，则从所述距离值{d₁₁,d₁₂,d₁₃,…,d_1n}中去除d_1(k+1)至d_1n之间测距值；从而获得位于所述多面体合作目标上的水平距离值{d_1j,d_1(j+1),…,d_1k}；步骤7：从所述水平距离值{d_1j,d_1(j+1),…,d_1k}中找出水平转折点并标记为{Z₁,Z₂,…,Z_m}，以所述水平转折点{Z₁,Z₂,…,Z_m}为间隔点对所述水平距离值{d_1j,d_1(j+1),…,d_1k}进行分组，获得m+1个水平分组距离值；求出所述各水平分组距离值的平均值，并令所述平均值最小的水平分组距离值所对应的两个水平转折点为水平边界点；步骤8：获得所述水平边界点所对应的两个水平转角的角度均值并将所述扫描基站的二维旋转机构在水平方向上旋转到所述角度均值步骤9：所述扫描基站在所述角度均值下，以等间隔角度在俯仰角内进行测距扫描；9.1将所述扫描基站的二维旋转机构在俯仰方向上以角度进行旋转，以达到俯仰测距扫描的初始角度，并记录所述初始角度为俯仰转角ω₁；利用所述扫描基站的激光测距仪获得在角度均值和俯仰转角ω₁下扫描基站的二维旋转机构旋转中心到所述多面体合作目标的距离值d₂₁；9.2所述扫描基站的二维旋转机构以俯仰转角ω₁为起始点，以角度增量为旋转单位，在俯仰方向上进行旋转直至俯仰转角大于角度为止，依次记录俯仰转角{ω₂，ω₃，…，ω_p}；利用所述扫描基站的激光测距仪获得与所述俯仰转角{ω₂，ω₃，…，ω_p}一一对应的距离值{d₂₂,d₂₃,…,d_2p}；从而获得所述激光测距仪在俯仰角内进行测距扫描时的距离值{d₂₁,d₂₂,d₂₃,…,d_2p}；步骤10：从所述距离值{d₂₁,d₂₂,d₂₃,…,d_2p}中提取位于所述多面体合作目标上的距离值；10.1从所述距离值{d₂₁,d₂₂,d₂₃,…,d_2p}中选出最小值d_2q，2≤q≤p‑1；并利用式(6)和式(7)依次获得d_2r与d_2(r‑1)之间距离值的前向差分值以及d_2s与d_2(s+1)之间距离值的后向差分值Δ_s，2≤r≤q，r≤s≤p‑1；${▿}_r=d_{2(r-1)}-d_{2r}---\left(6\right)$Δ_s＝d_2(s+1)‑d_2s   (7)10.2若所述前向差分值大于l_b，则从所述距离值{d₂₁,d₂₂,d₂₃,…,d_2p}中去除d₂₁至d_2(r‑1)之间的测距值；若所述后向差分值Δ_s大于l_b，则从所述距离值{d₂₁,d₂₂,d₂₃,…,d_2p}中去除d_2(s+1)至d_2p之间测距值；从而获得位于所述多面体合作目标上的俯仰距离值{d_2r,d_2(r+1),…,d_2s}；步骤11：从所述俯仰距离值{d_2r,d_2(r+1),…,d_2s}中找出俯仰转折点并标记为{Y₁,Y₂,…,Y_t}，以所述俯仰转折点{Y₁,Y₂,…,Y_t}为间隔点对所述俯仰距离值{d_2r,d_2(r+1),…,d_2s}进行分组，获得t+1个俯仰分组距离值；求出所述各俯仰分组距离值的平均值，并令所述平均值最小的俯仰分组距离值所对应的两个俯仰转折点Y_x和Y_x+1为俯仰边界点，2≤x≤t‑1；步骤12：以所述俯仰转折点Y_x与Y_x‑1之间距离值所对应的俯仰转角为自变量，以所述俯仰转折点Y_x与Y_x‑1之间距离值为因变量，获得左线性回归曲线L₁；将所述俯仰转折点Y_x与Y_x‑1所对应的俯仰转角ω′₁和ω′₂代入所述左线性回归曲线L₁中分别获得距离值和以所述俯仰转折点Y_x+1与Y_x+2之间距离值所对应的俯仰转角为自变量，以所述俯仰转折点Y_x+1与Y_x+2之间距离值为因变量，获得右线性回归曲线L₂；将所述俯仰转折点Y_x+1与Y_x+2所对应的俯仰转角ω′₃和ω′₄代入所述右线性回归曲线L₂中分别获得距离值和步骤13：利用式(8)获得所述扫描基站的测距光线与所述合作目标的夹角γ：步骤14：以所述俯仰转折点Y_x与Y_x+1之间距离值所对应的俯仰转角为自变量，以所述俯仰转折点Y_x与Y_x+1之间距离值为因变量，获得线性回归曲线L₃；分别获得所述线性回归曲线L₃与所述左线性回归曲线L₁和所述右线性回归曲线L₂的交点和步骤15：按式(9)获得所述扫描基站的激光测距仪的测距起始点与所述多面体合作目标的几何中心点的距离D：$D=\sqrt{{(\frac{1+\sqrt{2}}{2}\times l_b)}^2+{\left(\frac{{\hat{d}}_5+{\hat{d}}_6}{2}\right)}^2-2(\frac{1+\sqrt{2}}{2}\times l_b)\times \left(\frac{{\hat{d}}_5+{\hat{d}}_6}{2}\right)\times cos(\pi /2+\gamma )}---\left(9\right)$步骤16：将所述激光测距多边法定位坐标测量系统中其他测量基站依次作为扫描基站并按照步骤3‑步骤15进行处理，获得各自扫描基站的激光测距仪的测距起始点到所述多面体合作目标几何中心点的距离，从而通过空间两点间距离公式获得所述多面体合作目标几何中心点的坐标，并根据所述多面体合作目标的几何中心点与所述测量对象的待测点的空间位置关系获得所述测量对象的待测点坐标。