三維空間雷射定位技術的製作方法

2023-05-21 10:37:26 2

本發明屬於雷射輔助測量領域，特別是涉及被測目標的三維空間定位。

二、技術背景

在虛擬實境(Virtual Reality)應用中，為了實現人與虛擬世界的交互，必須解決輸入問題，傳統的輸入方式：鍵盤與滑鼠變得不再適用，新方式要求實時定位使用者身體、頭部、手、操作手柄、道具等的三維空間坐標，從而完成向虛擬世界輸入。

現有解決方案多基於兩種技術：微機械陀螺儀(MEMS)技術、基於圖像分析的光學定位技術。MEMS多見於手機中，存在數據穩定性差、零點漂移厲害、無法絕對定位的缺點；基於圖像分析的光學定位技術由於必須經過圖像採集環節，造成處理延時比較大，計算量大，高幀率攝像頭的價格昂貴，總體擁有成本較高。

虛擬實境技術的發展，呼喚高精度、低延時、低價格、易於使用的實時定位技術。

三、

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種三維空間雷射定位技術。

本發明採用的技術方案是：發射裝置由固定安裝的三個一字線雷射器和一個同步閃光器以及相關控制電路組成，一字線雷射器可以繞自身軸線以恆定速率旋轉；接收裝置由一個光敏接收器件(即被定位點)以及相關測量電路組成，可以接收雷射發射器和同步閃光器的照射輸出電信號。

技術原理是：由於每個一字線雷射器的安裝位置是固定的，雷射器的旋轉速率也是恆定的，因此每一時刻雷射掃描面的平面方程就是已知的，光敏接收器件分別接受三個雷射器的照射，可確定三個平面方程，求此三平面方程的交叉點坐標，就完成了定位。同步閃光器的作用是：同步掃描周期的時間起點。同步閃光器的作用原理是：掃描周期開始時發出特定頻率的頻閃信號，光敏接收器件檢測到該信號後開始計時，因為頻閃信號是面向全空域的，所以不論接收器在什麼位置都能接收到。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：實時性好——每秒可完成50-100次定位；計算複雜度低——接收器只需解一組線性方程即可得出坐標，用普通的單片機就可做到；定位精度高——定位誤差取決於接收器的計時誤差，普通單片機的定時誤差＜1us，對於掃描頻率50Hz、距離3000mm遠處，1us雷射掃過的距離只有0.943mm；覆蓋面廣——一個發射裝置可以覆蓋1000m3的定位空間，可實現多點定位不增加系統負擔；成本低、體積小、功耗低——接收裝置只需要一個光敏二極體+一個普通單片機；實施簡單——即裝即用、即插即用，無需現場標定。

四、附圖說明

圖1是發射裝置圖；

圖2是水平掃描開始圖；

圖3是水平掃描圖；

圖4是垂直掃描開始圖；

圖5是垂直掃描圖；

圖中：11、安裝架，12、左一字線雷射器，13、中一字線雷射器，14、雷射發射孔，15、同步閃光器，16、右一字線雷射器，21、左一字線雷射器掃描面，22、右一字線雷射器掃描面，23、光敏接收器件，24、接收裝置，31、左右雷射器掃描面交叉線，32、左雷射掃描面旋轉角度，33、右雷射掃描面旋轉角度，41、中一字線雷射器掃描面，51、中雷射掃描面旋轉角度。

五、具體實施方式

下面結合附圖對本發明進一步說明。

1.發射裝置說明。每個一字線雷射器通過內置電機帶動以恆定速率旋轉，三個一字線雷射器的旋轉速率、旋轉相位由控制電路精確控制，其中左雷射器(12)逆時針方向旋轉(頂視視角)，右雷射器(16)順時針方向旋轉(頂視視角)，中間雷射器(13)順時針方向旋轉(左視視角)。三個雷射器的旋轉角速度嚴格相等，其中左、右雷射器的相位相同，中間雷射器的相位相差180°。

2.掃描周期開始。參見圖2，同步閃光器(15)發出幾個脈衝的頻閃信號，然後開啟左、右雷射器的照射(此時中間雷射器雖然也在同步旋轉但是雷射發射是關閉的)，左雷射器向左照射(21)，右雷射器向右照射(22)，兩個照射面剛好處於同一平面。接收裝置(24)收到頻閃信號後開始計時，取得計時同步。

3.水平掃描，定位一條直線。參見圖3，左雷射器逆時針旋轉，雷射面掃過光敏接收器件(23)，接收裝置記錄下掃描時間，乘以雷射器旋轉角速度，得到左雷射器旋轉角度(32)，從而得到左雷射面(21)的平面方程。同理，得到右雷射面(22)的平面方程，求兩平面交線，得到一條直線方程(31)，被定位點(23)就在這條直線上。

4.垂直掃描開始。參見圖4，當左、右雷射面以相同速率旋轉到180°的時刻，同時關閉左、右雷射器發射並開啟中間雷射器(13)發射。因為中間雷射器與左、右雷射器的相位差為180°，因此此刻發出的雷射面(41)是垂直向上的。接收裝置從同步信號開始向後延時半個掃描周期同步到此時刻，作為垂直掃描的起點。

5.垂直掃描，定位最終點。參見圖5，中間雷射器順時針掃描，雷射面(41)掃過光敏接收器件(23)，接收裝置記錄下掃描時間，乘以雷射器旋轉角速度，得到中間雷射器旋轉角度(51)，從而得到中間雷射面(41)的平面方程，該方程與水平掃描得到的直線方程(31)求交點，得到目標點(23)坐標，完成定位。

6.開始一個新掃描周期。當垂直掃描快結束的時候(例如已掃描了170°)，開啟同步閃光器(15)的頻閃，結束時刻(垂直掃描到180°)關閉中間雷射器的發射同時關閉同步閃光器頻閃，開始下一個掃描周期。接收裝置因為收到同步頻閃信號而復位計時器，重新開始新周期計時。如此周而復始，目標點被連續定位。