一種交互式空間定位系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種交互式空間定位系統，包括掃描模塊、接收模塊和處理模塊，所述接收模塊包括光信號接收模塊陣列。與現有技術相比，本實用新型利用經度和緯度交叉先后掃描的方式簡化了計算量，同時使得測量儀器的數量變少，結構變得更加簡單。利用旋轉多面體、掃描振鏡和微機電反射鏡的方式使得旋轉體質量變得很小，有利于減小其轉動或振動產生的離心力，增加設備的穩定性。二維度可控微機電反射鏡的使用使得轉動體的數量進一步減少為一個，進一步簡化了設備。閃光燈的周期性閃光可以使系統較好地判斷掃描周期，防止出現不同周期之間的數據混亂。出射光線處理模塊可以增大或減小出射激光的出射角，擴大了掃描的范圍。
【專利說明】
一種交互式空間定位系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及空間定位領域，更具體地說，涉及一種交互式空間定位系統。
【背景技術】
[0002]空間定位一般采用光學或超聲波的模式進行定位和測算，通過建立模型來推導待測物體的空間位置。一般的光學空間定位系統采用激光掃描和光感應器接收的方式來確定物體的空間位置，這一類空間定位系統往往有測量設備較為龐大，測量時間長和無法實時測量的問題，應用范圍受到較大的局限。
[0003]中國專利CN200810150383.5公開了一種基于雙旋轉激光平面發射機網絡的空間定位方法，三個或三個以上的轉臺發射機由交流伺服電機帶動旋轉，頭部安裝了兩個線性激光器的轉臺發射機向四周空間不斷發射激光信號，然后根據以光電池為傳感器的接收器模塊采集到的激光峰值位置距時間原點OZ脈沖的時間距離，轉換成激光平面旋轉過的角度，從而推導出待測點所在的激光平面方程，接著進一步得到通過待測點的直線方程，根據多直線相交方法聯立方程組，最后以最小二乘法求解此方程組獲到待測點坐標位置。該專利較好地解決了實時定位的問題，但由于其測算方法導致轉臺較多(三個以上)，使設備顯得比較冗雜，另外由于其線性測量的方案導致測量時間過長，不適合需要較高精度的測量環境。
【實用新型內容】
[0004]為了解決當前空間定位系統設備冗雜和測量時間過長的缺陷，本實用新型提供一種設備簡便、測量時間短的交互式空間定位系統。
[0005]本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是:提供一種交互式空間定位系統，包括掃描模塊、接收模塊和處理模塊，所述接收模塊包括光信號接收模塊陣列，
[0006]所述掃描模塊包括經度掃描模塊和瑋度掃描模塊，所述經度掃描模塊和所述瑋度掃描模塊之間通過各自的同步裝置傳遞信息，所述經度/瑋度掃描模塊分別包括發射端嵌入式控制模塊、驅動電路、激光源，所述驅動電路與所述激光源、所述發射端嵌入式控制模塊分別電性連接，所述發射端嵌入式控制模塊與所述同步裝置電性連接，
[0007]所述接收模塊包括接收端嵌入式控制模塊、光信號接收模塊陣列、接收端無線傳輸模塊、電源模塊，所述接收端嵌入式控制模塊與所述光信號接收模塊陣列、所述電源模塊、所述接收端無線傳輸模塊分別電性連接，所述接收端無線傳輸模塊與所述電源模塊電性連接，
[0008]所述處理模塊包括處理端無線傳輸模塊和運算處理器，所述處理端無線傳輸模塊和所述運算處理器電性連接。
[0009]優選地，所述經度/瑋度掃描模塊包括表面具有反射特性并可沿至少一旋轉軸旋轉的旋轉多面體，所述激光源包括激光器和光學整形系統，所述激光器發射激光經所述光學整形系統處理后射向所述旋轉多面體，經所述旋轉多面體反射后進入待掃描區域，所述光信號接收模塊陣列包括至少12個傳感器，所述傳感器按照任意角度投影至少4個傳感器不處于同一個平面的方式排列。
[0010]優選地，所述經度/瑋度掃描模塊包括可沿至少一旋轉軸旋轉或振動的掃描振鏡，所述激光源包括激光器和光學整形系統，所述激光器發射激光經所述光學整形系統處理后射向所述掃描振鏡，經所述掃描振鏡反射后進入待掃描區域，所述光信號接收模塊陣列包括至少12個傳感器，所述傳感器按照任意角度投影至少4個傳感器不處于同一個平面的方式排列。
[0011]優選地，所述經度/瑋度掃描模塊包括微機電反射鏡，所述激光源包括激光器和光學整形系統，所述激光器發射激光經所述光學整形系統處理后射向所述微機電反射鏡，經所述微機電反射鏡反射后進入待掃描區域，所述光信號接收模塊陣列包括至少12個傳感器，所述傳感器按照任意角度投影至少4個傳感器不處于同一個平面的方式排列。
[0012]優選地，所述微機電反射鏡為二維度可控微機電反射鏡，所述二維度可控微機電反射鏡包括二維轉動圓形反射鏡，在所述二維轉動圓形反射鏡位置嵌套構建有兩個外環。
[0013]優選地，所述掃描模塊進一步包括閃光燈，所述閃光燈在掃描周期開始時閃光。
[0014]優選地，所述掃描模塊進一步包括出射光線處理模塊，所述出射光線處理模塊可以對出射光線進行處理，改變出射光線的光路。
[0015]與現有技術相比，本實用新型利用經度和瑋度交叉先后掃描的方式簡化了計算量，同時使得測量儀器的數量變少，結構變得更加簡單。非線性掃描的方式節省了大量的掃描時間，掃描儀器可以直接跳過一些目標不可能存在的區域重點掃描目標可能出現的區域，大大提高了掃描的效率和空間定位的實時性。利用旋轉多面體、掃描振鏡和微機電反射鏡的方式使得旋轉體質量變得很小，有利于減小其轉動或振動產生的離心力，增加設備的穩定性。二維度可控微機電反射鏡的使用使得轉動體的數量進一步減少為一個，進一步簡化了設備。閃光燈的周期性閃光可以使系統較好地判斷掃描周期，防止出現不同周期之間的數據混亂。出射光線處理模塊可以增大或減小出射激光的出射角，擴大了掃描的范圍。
【附圖說明】
[0016]下面將結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明，附圖中:
[0017]圖1是本實用新型一種交互式空間定位系統原理示意圖；
[0018]圖2是本實用新型一種交互式空間定位系統掃描模塊結構示意圖；
[0019]圖3是本實用新型一種交互式空間定位系統結構示意圖；
[0020]圖4是本實用新型一種交互式空間定位系統掃描模塊第一實施例示意圖；
[0021]圖5是本實用新型一種交互式空間定位系統掃描模塊第二實施例示意圖；
[0022]圖6本實用新型一種交互式空間定位系統掃描模塊第三實施例示意圖；
[0023]圖7本實用新型一種交互式空間定位系統掃描模塊第四實施例示意圖；
【具體實施方式】
[0024]為了解決當前空間定位系統設備冗雜和測量時間過長的缺陷，本實用新型提供一種設備簡便、測量時間短的交互式空間定位系統。
[0025]為了對本實用新型的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本實用新型的【具體實施方式】。
[0026]圖1是本實用新型一種交互式空間定位系統原理示意圖。坐標軸中，橫軸為時間t，縱軸為光強lx。當測量開始時，給出一個閃光信號，接收裝置接收到遠大于或遠小于測量激光光強的光信號。該閃光信號主要用于確定測量周期，對閃光光強的要求是光強可以和測量光強明顯區分；閃光完成后首先進行經度測量，參照函數Φ=?.α)角度與時間的對應關系進行掃描，其中，函數Φ=?.α)為預先設定的函數。測量過程中，接收裝置上接受到測量的激光信號后記錄測量時間U。經度測量完成后進行瑋度測量，瑋度測量的方式與經度測量相似，記開始測量的時間點為t ’ O，參照函數Φ = g ( t-t ’ O )角度與時間的對應關系進行掃描，接收裝置接收到測量的激光信號后記錄測量時間U。利用測量到的數據U和U代入函數Φ =f (?φ)和Φ = 8(?φ_?’ο)，測算出角度Φ和Φ，并根據已知的接收裝置陣列矩陣，逆向標定出測量裝置位置和朝向信息，進而得到接收裝置的六自由度信息。根據計算，得到接收裝置的六自由度信息需要至少4個位于不同一平面的傳感器傳輸數據。為了保證在掃描范圍內接收裝置不論朝向如何均可以測量其六自由度信息，需要保證從任意角度投影至少4個傳感器不處于同一個平面，根據計算，至少需要12個傳感器位于接收裝置上。
[0027]請參閱圖2—圖3，本實用新型交互式空間定位系統包括掃描模塊1、接收模塊2和處理模塊3。掃描模塊I包括經度掃描模塊4和瑋度掃描模塊5，經度掃描模塊4和瑋度掃描模塊5內部結構相同，區分在于掃描方向不同，一般情況下，經度掃描模塊4和瑋度掃描模塊5掃描方向的夾角為90°。經度掃描模塊4和瑋度掃描模塊5之間通過各自的同步裝置12傳遞信息，經度掃描模塊4和瑋度掃描模塊5分別包括發射端嵌入式控制模塊11、驅動電路16、激光源13，驅動電路16與激光源13、發射端嵌入式控制模塊11分別電性連接，發射端嵌入式控制模塊11與同步裝置12電性連接。
[0028]接收模塊2包括接收端嵌入式控制模塊22、光信號接收模塊陣列21、接收端無線傳輸模塊24、電源模塊23，光信號接收模塊陣列21用于接收光信號，其包括至少12個光傳感器(圖未示)，12個光傳感器按照從任意角度投影至少4個傳感器不處于同一個平面的方式排列在接收模塊表面。接收端嵌入式控制模塊22與光信號接收模塊陣列21、電源模塊23、接收端無線傳輸模塊24分別電性連接，接收端無線傳輸模塊24與電源模塊23電性連接。
[0029]處理模塊3包括處理端無線傳輸模塊32和運算處理器31，處理端無線傳輸模塊32和運算處理器31電性連接。處理端無線傳輸模塊32與接收端無線傳輸模塊24之間通過無線方式進行通訊。
[0030]在這三個模塊之外，可以添加起閃光作用的閃光燈(圖未示)。閃光燈受處理模塊3或掃描模塊I的控制，在掃描周期開始時閃光。
[0031]本實用新型交互式空間定位系統的工作過程為:首先，在掃描開始時閃光燈閃光，同時，經度掃描模塊4發射一束激光面掃描待掃描區域，掃描開始的時間點記為to = 0，掃描角度和掃描時間的關系為Φ=?.α)，光信號接收模塊陣列21接收激光信號，并傳遞電信號至接收端嵌入式控制模塊22，接收端嵌入式控制模塊22記錄接收時間為?φ = (?ι、t2、......、
tn)，并將相關信息經接收端無線傳輸模塊24傳輸至處理模塊3，處理模塊3通過處理端無線傳輸模塊32接收接收端無線傳輸模塊24傳輸的信號；瑋度掃描模塊5的掃描的過程與經度掃描模塊4基本相同，不同之處在于，瑋度掃描模塊5掃描的方向與經度掃描模塊4掃描的方向垂直，掃描開始的時間點記為t ’ ο，瑋度掃描模塊5掃描角度和掃描時間的關系為Φ = g(t-t，0)，接收端嵌入式控制模塊22記錄接收時間為?φ= (t ’ 1、t ’ 2、......、t ’η)。運算處理器31按照函數:
[0032]φ =f (?ψ)，
[0033]i]) = g(tij)-t,o)
[0034]計算出坐標(Φ、Φ)陣列，并根據已知的光信號接收模塊21陣列矩陣，逆向標定出掃描模塊I的位置和朝向信息，進而得到接收模塊2的六自由度信息。
[0035]計算出接收模塊2的六自由度信息后，運算處理器31根據接收模塊2的六自由度信息，判斷需要重點掃描的區域，匹配處理模塊3中事先保存的非線性函數Φ’、Φ’，或根據需要重點掃描的區域按照事先設定的規則生成非線性函數Φ”、Φ”。一個常用的規則是根據接收模塊2對應的角度范圍，加上根據接收模塊在掃描時間內可能移動距離的最大值計算出的角度值，得到需要掃描的角度范圍。在該掃描角度范圍之外可以使掃描模塊以最快速度進行掃描，進入該掃描角度范圍之后使用正常掃描速度進行掃描。
[0036]用非線性函數Φ’、Φ’或Φ”、Φ”替換上一次掃描中用于掃描的函數Φ、1]5和用于計算的函數Φ、Φ，然后重新執行掃描。
[0037]通過不斷更新掃描函數，可以較大地提高掃描效率，提高掃描的精確性。
[0038]請參閱圖4，圖4是掃描模塊I第一實施例示意圖，由于經度掃描模塊4和瑋度掃描模塊5結構相同，因此這里只描述經度掃描模塊4的結構。激光源13包括激光器131和光學整形系統132，激光器131發射激光，激光在光學整形系統132中被整理，形成所需要的光路，例如可以將激光整理成一束激光面。激光沿該光路入射旋轉多面體141。旋轉多面體141為表面具有反射特性的多面體，其可以沿著至少一個旋轉軸進行旋轉，當其只有單一旋轉軸時，只可以掃描一個方向；若其具有相互垂直的兩個旋轉軸，則可以調整入射光線使其可以掃描相互垂直的兩個方向。入射激光經旋轉多面體141表面反射后射出掃描模塊I進入待掃描區域，隨著旋轉多面體141的旋轉，射出掃描模塊I的光線出射角不斷發生變化，進而覆蓋待掃描范圍。為了進一步改變出射光線的出射角，可以在掃描模塊I前加裝出射光線處理模塊17，對出射光線進行進一步處理。
[0039]請參閱圖5，圖5是掃描模塊I第二實施例示意圖，掃描模塊I第二實施例與第一實施例結構基本相同，不同之處在于，第二實施例用掃描振鏡142代替了體積稍大的旋轉多面體141。掃描振鏡142包括表面具有反射特性的振鏡1421，掃描振鏡142通過控制振鏡1421振動或轉動來改變激光源13射來光線的光路。掃描振鏡142同樣可以沿著至少一個旋轉軸進行旋轉或振動。
[0040]請參閱圖6，圖6是掃描模塊I第三實施例示意圖，掃描模塊I第三實施例與第一實施例結構基本相同，不同之處在于，第三實施例用微機電反射鏡143代替了體積稍大的旋轉多面體141。微機電反射鏡143包括在一個固定平面中構建有外環結構的可轉動圓形反射鏡1431，固定平面的外環(圖未示)與可轉動圓形反射鏡1431構建了一個梳狀驅動器，可通過控制輸入驅動器的電流大小精確地改變可轉動圓形反射鏡1431與固定平面的傾角，達到I個維度轉動控制的效果，控制頻率可達千赫茲級別。這種精確的控制和較高的控制頻率在非線性掃描中顯得尤為重要，不僅可以實現復雜的非線性函數掃描，還可以使得掃描時間進一步縮短，極大地減小掃描誤差。
[0041]請參閱圖7，圖7是掃描模塊I第四實施例示意圖，在第四實施例中，經度掃描模塊4和瑋度掃描模塊5合二為一。兩組激光源13互成角度，射出激光分別入射二維度可控微機電反射鏡144。二維度可控微機電反射鏡144在二維轉動圓形反射鏡1441位置嵌套構建兩個外環，從而實現單個二維轉動圓形反射鏡1441兩個維度的掃描控制。入射激光經二維轉動圓形反射鏡1441反射后射出掃描模塊I進入待掃描區域進行掃描。
[0042]與現有技術相比，本實用新型利用經度和瑋度交叉先后掃描的方式簡化了計算量，同時使得測量儀器的數量變少，結構變得更加簡單。非線性掃描的方式節省了大量的掃描時間，掃描儀器可以直接跳過一些目標不可能存在的區域重點掃描目標可能出現的區域，大大提高了掃描的效率和空間定位的實時性。利用旋轉多面體141、掃描振鏡142和微機電反射鏡143的方式使得旋轉體質量變得很小，有利于減小其轉動或振動產生的離心力，增加設備的穩定性。二維度可控微機電反射鏡144的使用使得轉動體的數量進一步減少為一個，進一步簡化了設備。閃光燈(圖未示)的周期性閃光可以使系統較好地判斷掃描周期，防止出現不同周期之間的數據混亂。出射光線處理模塊17可以增大或減小出射激光的出射角，擴大了掃描的范圍。
[0043]上面結合附圖對本實用新型的實施例進行了描述，但是本實用新型并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本實用新型的啟示下，在不脫離本實用新型宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本實用新型的保護之內。
【主權項】
1.一種交互式空間定位系統，其特征在于，包括掃描模塊、接收模塊和處理模塊，所述接收模塊包括光信號接收模塊陣列， 所述掃描模塊包括經度掃描模塊和瑋度掃描模塊，所述經度掃描模塊和所述瑋度掃描模塊之間通過各自的同步裝置傳遞信息，所述經度/瑋度掃描模塊分別包括發射端嵌入式控制模塊、驅動電路、激光源，所述驅動電路與所述激光源、所述發射端嵌入式控制模塊分別電性連接，所述發射端嵌入式控制模塊與所述同步裝置電性連接， 所述接收模塊包括接收端嵌入式控制模塊、光信號接收模塊陣列、接收端無線傳輸模塊、電源模塊，所述接收端嵌入式控制模塊與所述光信號接收模塊陣列、所述電源模塊、所述接收端無線傳輸模塊分別電性連接，所述接收端無線傳輸模塊與所述電源模塊電性連接， 所述處理模塊包括處理端無線傳輸模塊和運算處理器，所述處理端無線傳輸模塊和所述運算處理器電性連接。2.根據權利要求1所述的交互式空間定位系統，其特征在于，所述經度/瑋度掃描模塊包括表面具有反射特性并可沿至少一旋轉軸旋轉的旋轉多面體，所述激光源包括激光器和光學整形系統，所述激光器發射激光經所述光學整形系統處理后射向所述旋轉多面體，經所述旋轉多面體反射后進入待掃描區域，所述光信號接收模塊陣列包括至少12個傳感器，所述傳感器按照任意角度投影至少4個傳感器不處于同一個平面的方式排列。3.根據權利要求1所述的交互式空間定位系統，其特征在于，所述經度/瑋度掃描模塊包括可沿至少一旋轉軸旋轉或振動的掃描振鏡，所述激光源包括激光器和光學整形系統，所述激光器發射激光經所述光學整形系統處理后射向所述掃描振鏡，經所述掃描振鏡反射后進入待掃描區域，所述光信號接收模塊陣列包括至少12個傳感器，所述傳感器按照任意角度投影至少4個傳感器不處于同一個平面的方式排列。4.根據權利要求1所述的交互式空間定位系統，其特征在于，所述經度/瑋度掃描模塊包括微機電反射鏡，所述激光源包括激光器和光學整形系統，所述激光器發射激光經所述光學整形系統處理后射向所述微機電反射鏡，經所述微機電反射鏡反射后進入待掃描區域，所述光信號接收模塊陣列包括至少12個傳感器，所述傳感器按照任意角度投影至少4個傳感器不處于同一個平面的方式排列。5.根據權利要求4所述的交互式空間定位系統，其特征在于，所述微機電反射鏡為二維度可控微機電反射鏡，所述二維度可控微機電反射鏡包括二維轉動圓形反射鏡，在所述二維轉動圓形反射鏡位置嵌套構建有兩個外環。6.根據權利要求1一5任一項所述的交互式空間定位系統，其特征在于，所述掃描模塊進一步包括閃光燈，所述閃光燈在掃描周期開始時閃光。7.根據權利要求1一5任一項所述的交互式空間定位系統，其特征在于，所述掃描模塊進一步包括出射光線處理模塊，所述出射光線處理模塊可以對出射光線進行處理，改變出射光線的光路。
【文檔編號】G01S5/02GK205581291SQ201620391000
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年4月29日
【發明人】黨少軍
【申請人】深圳市虛擬現實科技有限公司