阅读说明：本技术 一种激光投射点坐标测量装置及其测量方法 (laser projection point coordinate measuring device and measuring method thereof ) 是由 李锦上 田洪现 王文林 王春进 王飙 于 2019-10-21 设计创作，主要内容包括：本发明一种激光投射点坐标测量装置及其测量方法,属于激光投射点坐标测量技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种激光投射点坐标测量装置硬件结构及其测量方法的改进；解决该技术问题采用的技术方案为：包括封装在壳体内的激光信号接收单元和激光信号扫描单元,所述激光信号接收单元的正面用于接收激光发射器发出的激光线束,所述激光线束照射在激光信号接收单元的壳体上形成激光照射点,所述激光信号接收单元的背面连接有激光信号扫描单元；所述激光信号扫描单元的信号输出端通过导线与微控制器相连,所述微控制器的信号输入端与贴片编码器相连,所述微控制器的信号输出端与数据存储模块相连,本发明应用于激光投射点坐标测量装置。(The invention relates to an laser projection point coordinate measuring device and a measuring method thereof, belonging to the technical field of laser projection point coordinate measuring, and aiming at solving the technical problems of providing laser projection point coordinate measuring device hardware structures and the improvement of the measuring method thereof, wherein the technical scheme adopted for solving the technical problems is that the device comprises a laser signal receiving unit and a laser signal scanning unit which are packaged in a shell, the front surface of the laser signal receiving unit is used for receiving laser beams emitted by a laser emitter, the laser beams irradiate on the shell of the laser signal receiving unit to form laser irradiation points, the back surface of the laser signal receiving unit is connected with the laser signal scanning unit, the signal output end of the laser signal scanning unit is connected with a microcontroller through a lead, the signal input end of the microcontroller is connected with a patch encoder, and the signal output end of the microcontroller is connected with a data storage module.)

一种激光投射点坐标测量装置及其测量方法

技术领域

本发明一种激光投射点坐标测量装置及其测量方法，属于激光投射点坐标测量技术领域。

背景技术

随着科技的发展，技术的不断提高，在智能化矿山、军事射击训练、射击比赛中的设备自动化、智能化已经成为一种必然趋势，激光标靶作为现代化测量设备得到广泛应用。在智能化矿山应用中，传统激光靶精度不高，不能适应井下恶劣的采煤环境，容易受到外界恶劣环境的干扰，不稳定，不精准。随着我国重大基础装备工业的不断推进和发展，在大型设备对接、盾构导向、船舶装备和导向、电力能源设备制造和监测等领域中，激光标靶在大尺寸空间内的位姿测量中发挥着重要作用。

目前位姿测量面临测量空间大、精度要求高、被测对象外形复杂等问题，单一位姿测量方法难以满足测量需求，基于多种测量方法结合的组合测量方法逐渐得到应用；激光标靶位姿测量是利用激光标靶配合全站仪或激光跟踪仪等测量仪器，完成全空间内测量的一种组合测量方法。目前国内外均研制有各种类型的激光标靶，其中国外的激光标靶导向系统主要有英国的ZED系统、德国的VMT系统等，所使用的激光标靶主要由激光CCD相机、双轴倾角仪以及嵌入式硬件平台组成，但目前使用的激光标靶测量系统采用的激光靶中光敏二极管间距较大，感应精度低，不能同时感应接收多束激光信号，并且使用的激光靶为固定尺寸，安装使用困难，制作成本高。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种激光投射点坐标测量装置硬件结构及其测量方法的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种激光投射点坐标测量装置，包括封装在壳体内的激光信号接收单元和激光信号扫描单元，所述激光信号接收单元的正面用于接收激光发射器发出的激光线束，所述激光线束照射在激光信号接收单元的壳体上形成激光照射点，所述激光信号接收单元的背面连接有激光信号扫描单元；

所述激光信号扫描单元的信号输出端通过导线与微控制器相连，所述微控制器的信号输入端与贴片编码器相连，所述微控制器的信号输出端与数据存储模块相连，所述微控制器还通过导线与数据通信模块双向连接，所述数据通信模块通过RS485通信总线与监控计算机相连；

所述微控制器的电源输入端与电源模块相连。

所述激光信号接收单元具体为光敏二极管组成的阵列，所述光敏二极管的型号为B1701PT-H9C-000114；

所述激光信号扫描单元内部使用的芯片为74HC595D控制芯片和CD4051B控制芯片；

所述微控制器内部使用的芯片为控制芯片U1，所述控制芯片U1的型号为STM32F103C8T6；

所述贴片编码器的型号为CD10RMOSB；

所述数据通信模块内部使用的芯片为通信芯片U2，所述通信芯片U2的型号为MAX3485；

所述电源模块内部使用的芯片为稳压芯片U3，所述稳压芯片U3的型号为LM1117。

所述微控制器的电路结构为：

所述控制芯片U1的5脚并接晶振XT1的一端后与电容C6的一端相连，所述控制芯片U1的6脚并接晶振XT1的另一端后与电容C8的一端相连，所述电容C6的另一端并接电容C8的另一端、电容C7的一端后接地；

所述控制芯片U1的7脚并接电容C7的另一端，电阻R48的一端后与复位开关SW3相连，所述电阻R48的另一端接3.3V输入电源；

所述控制芯片U1的9脚、24脚、36脚、48脚接3.3V输入电源；

所述控制芯片U1的2脚、3脚、4脚均与贴片编码器相连，所述控制芯片U1的25脚、26脚、27脚、28脚均与贴片编码器相连；

所述控制芯片U1的21脚、22脚、46脚均与数据通信模块相连；

所述控制芯片U1的10脚、11脚、12脚、13脚、14脚、18脚、19脚、20脚、29脚、30脚、31脚、32脚、33脚、39脚、40脚、41脚、42脚、43脚均与激光信号扫描单元相连。

所述数据通信模块的电路结构为：

所述通信芯片U2的1脚与控制芯片U1的22脚相连；

所述通信芯片U2的2脚并接通信芯片U2的3脚后与控制芯片U1的46脚相连；

所述通信芯片U2的4脚与控制芯片U1的21脚相连；

所述通信芯片U2的5脚接地；

所述通信芯片U2的6脚并接电阻R50的一端，电阻R51的一端后与可调电阻PTC2的一端相连；

所述通信芯片U2的7脚并接电阻R50的另一端，电阻R49的一端后与可调电阻PTC1的一端相连；

所述电阻R51的另一端接3.3V输入电源，所述电阻R49的另一端接地；

所述可调电阻PTC1和可调电阻PTC2的另一端与数据输出端口CN2相连。

所述电源模块的电路结构为：

所述稳压芯片U3的3脚并接电容C2的一端，电容C1的一端，稳压二极管TVS1的负极后与电源输入端CN1相连；

所述稳压芯片U3的2脚并接电容C3的一端，电容C4的一端后接3.3V输入电源；

所述稳压芯片U3的1脚并接稳压二极管TVS1的正极，电容C1的另一端，电容C2的另一端，电容C3的另一端，电容C4的另一端后接地。

一种激光投射点坐标测量方法，包括如下步骤：

步骤一：将激光信号接收单元垂直设置在激光投射测量区域中，在激光信号接收单元的正前方设置激光发射器，所述激光发射器发射的激光线束打在激光信号接收单元上；

步骤二：激光信号扫描单元对激光信号接收单元所连接的光敏二极管行号和列号进行矩阵扫描的循环操作，并将扫描信号发送至数据存储模块进行储存；

步骤三：所述微控制器对扫描信号进行图像处理，具体为：对激光信号进行二值化处理，并通过特征提取操作将其换算为坐标数据，最后将激光点的坐标数据存储在数据存储模块中；

步骤四：微控制器将得到的激光点的坐标数据通过数据通信模块上传至监控计算机进行进一步分析处理。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供的激光投射点坐标测量装置与现有位姿测量用激光靶相比，由于使用激光测点，对使用环境中光线的抗干扰性好，测量精确度高，另外设置有专用的激光信号接收单元，可同时识别测量多个激光点坐标；整个装置结构简单、安装使用可靠，采用扫描方式采集信号的光敏管阵列，制作成本低；装置中的激光信号接收单元可拼接成不同尺寸的激光标靶，使得安装使用更加灵活，微控制器配合贴片编码器可实现对不同波长的激光发射点进行检测；本发明通过微控制器实现对激光发射点坐标的测量和计算，进而计算出井下机械的位姿，有着广泛的应用空间。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的电路模块示意图；

图3为本发明激光信号接收单元的电路原理图；

图4为本发明激光信号扫描单元的电路原理图；

图5为本发明微控制器的电路原理图；

图6为本发明数据通信模块的电路原理图；

图7为本发明电源模块的电路原理图；

图8为本发明激光投射点坐标测量方法的步骤流程图；

图中：1为激光信号接收单元、2为激光信号扫描单元、3为微控制器、4为贴片编码器、5为数据存储模块、6为数据通信模块、7为监控计算机、8为电源模块。

具体实施方式

如图1至图8所示，本发明一种激光投射点坐标测量装置，包括封装在壳体内的激光信号接收单元（1）和激光信号扫描单元（2），所述激光信号接收单元（1）的正面用于接收激光发射器发出的激光线束，所述激光线束照射在激光信号接收单元（1）的壳体上形成激光照射点，所述激光信号接收单元（1）的背面连接有激光信号扫描单元（2）；

所述激光信号扫描单元（2）的信号输出端通过导线与微控制器（3）相连，所述微控制器（3）的信号输入端与贴片编码器（4）相连，所述微控制器（3）的信号输出端与数据存储模块（5）相连，所述微控制器（3）还通过导线与数据通信模块（6）双向连接，所述数据通信模块（6）通过RS485通信总线与监控计算机（7）相连；

所述微控制器（3）的电源输入端与电源模块（8）相连。

所述激光信号接收单元（1）具体为光敏二极管组成的阵列，所述光敏二极管的型号为B1701PT-H9C-000114；

所述激光信号扫描单元（2）内部使用的芯片为74HC595D控制芯片和CD4051B控制芯片；

所述微控制器（3）内部使用的芯片为控制芯片U1，所述控制芯片U1的型号为STM32F103C8T6；

所述贴片编码器（4）的型号为CD10RMOSB；

所述数据通信模块（6）内部使用的芯片为通信芯片U2，所述通信芯片U2的型号为MAX3485；

所述电源模块（8）内部使用的芯片为稳压芯片U3，所述稳压芯片U3的型号为LM1117。

所述微控制器（3）的电路结构为：

所述控制芯片U1的5脚并接晶振XT1的一端后与电容C6的一端相连，所述控制芯片U1的6脚并接晶振XT1的另一端后与电容C8的一端相连，所述电容C6的另一端并接电容C8的另一端、电容C7的一端后接地；

所述控制芯片U1的7脚并接电容C7的另一端，电阻R48的一端后与复位开关SW3相连，所述电阻R48的另一端接3.3V输入电源；

所述控制芯片U1的9脚、24脚、36脚、48脚接3.3V输入电源；

所述控制芯片U1的2脚、3脚、4脚均与贴片编码器（4）相连，所述控制芯片U1的25脚、26脚、27脚、28脚均与贴片编码器（4）相连；

所述控制芯片U1的21脚、22脚、46脚均与数据通信模块（6）相连；

所述控制芯片U1的10脚、11脚、12脚、13脚、14脚、18脚、19脚、20脚、29脚、30脚、31脚、32脚、33脚、39脚、40脚、41脚、42脚、43脚均与激光信号扫描单元（2）相连。

所述数据通信模块（6）的电路结构为：

所述通信芯片U2的1脚与控制芯片U1的22脚相连；

所述通信芯片U2的2脚并接通信芯片U2的3脚后与控制芯片U1的46脚相连；

所述通信芯片U2的4脚与控制芯片U1的21脚相连；

所述通信芯片U2的5脚接地；

所述通信芯片U2的6脚并接电阻R50的一端，电阻R51的一端后与可调电阻PTC2的一端相连；

所述通信芯片U2的7脚并接电阻R50的另一端，电阻R49的一端后与可调电阻PTC1的一端相连；

所述电阻R51的另一端接3.3V输入电源，所述电阻R49的另一端接地；

所述可调电阻PTC1和可调电阻PTC2的另一端与数据输出端口CN2相连。

所述电源模块（8）的电路结构为：

所述稳压芯片U3的3脚并接电容C2的一端，电容C1的一端，稳压二极管TVS1的负极后与电源输入端CN1相连；

所述稳压芯片U3的2脚并接电容C3的一端，电容C4的一端后接3.3V输入电源；

所述稳压芯片U3的1脚并接稳压二极管TVS1的正极，电容C1的另一端，电容C2的另一端，电容C3的另一端，电容C4的另一端后接地。

一种激光投射点坐标测量方法，包括如下步骤：

步骤一：将激光信号接收单元（1）垂直设置在激光投射测量区域中，在激光信号接收单元（1）的正前方设置激光发射器，所述激光发射器发射的激光线束打在激光信号接收单元（1）上；

步骤二：激光信号扫描单元（2）对激光信号接收单元（1）所连接的光敏二极管行号和列号进行矩阵扫描的循环操作，并将扫描信号发送至数据存储模块（5）进行储存；

步骤三：所述微控制器（3）对扫描信号进行图像处理，具体为：对激光信号进行二值化处理，并通过特征提取操作将其换算为坐标数据，最后将激光点的坐标数据存储在数据存储模块（8）中；

步骤四：微控制器（3）将得到的激光点的坐标数据通过数据通信模块（6）上传至监控计算机（7）进行进一步分析处理。

本发明提供的激光投射投射点坐标测量装置涉及一种用于测量激光投射点坐标的装置，适用于在无阳光直射的环境中测量激光投射点坐标，进而实现对工程机械位姿的测量应用需求，本装置采用专用的光敏管阵列、相应的信号扫描模块以及控制器对激光信号进行接收处理，最终得出相应激光照射点的坐标数据。

如图1和图2所示为本发明的结构示意图，本发明在使用时悬挂或者直立摆放于掘进巷道内，在本装置前方的工程机械上设置激光发射器，发射激光束投射至本装置上，激光照射点的光源被测量装置的光敏管阵列检测到后，经过内部单片机控制器对其进行扫描采集、图像合成、图像处理、坐标换算等处理后得到相应的激光投射点坐标。

如图3所示为本装置提供的单个激光扫描单元光敏管阵列排列示意图，本装置由多个扫描单元级联，并拼接成一整块大屏幕，每个扫描单元由40*40个光敏管阵列组成，每个扫描单元的尺寸规格为20cm*20cm，扫描单元内每个光敏二极管的间距为0.5cm*0.5cm，本发明提供的测量装置尺寸可根据具体项目需求，将多个扫描单元级联自由组合成不同的尺寸及形状。

测量装置中设置的每个激光信号接收单元由8*8个光敏二极管构成，如图所示PHOTO NPN为本装置所使用的光敏二极管，型号为B1701PT-H9C-000114，是由宏齊科技设计制造，该类型光敏二极管接收的光谱范围为400nm-110nm，峰值敏感光谱为940nm，由于光照强度和光谱范围不同，集电极光电流值为0.1-2.0mA。

在使用时，当某个光敏二极管接收到一定频谱范围内的光照时，根据光照强度不同，二极管的导通电阻不同，控制器扫描和光敏二极管相连接的行（ROW）、列（COLUMN）线上的二极管电压变化，并根据该电压差获取激光点接收点所在位置。

如图4所示，所述每个激光扫描单元由5*5个接收单元构成，为了依次控制对激光扫描单元的各行各列进行扫描，在相应的接收单元中设置有10个74HC595D控制芯片，该控制芯片具备8位串行输入、串行输出的移位寄存器；以及5个CD4051B的8通道模拟开关。

如图5所示，为单个激光扫描单元的控制器电路原理图，主控制器采用型号为STM32F103C8T6，用于对激光扫描单元的行列电压进行实时采集，经过对电压信号的处理和计算，获得激光投射点所在光敏二极管的位置信息，从而获得激光投射点的坐标。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。