一种井下空间测距方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于空间测距领域，更具体地，涉及一种井下空间测距方法及装置。
【背景技术】
[0002] 危险及复杂自然环境中的距离测量是一项困难的工作，黑暗的洞穴、隧道和煤矿 井下等，这些不确定的自然条件都限制了大型测量设备的使用，也增加了人工进行距离测 量的难度。
[0003] 目前，要想实现空间中任意点间距离的测量，一般都使用全站仪或者人工测量的 方式。人工皮尺测量有速度慢、效率差、精度低、需要手工记录数据等缺点，而且不确定的自 然环境也限制了人工测量;全站仪能自动完成一个测站上测距、测角、自动计算水平距离、 高差和坐标增量等观测工作，同时可自动显示、记录、存储和数据输出，实现了测量和处理 过程的电子化和一体化，但其结构复杂，操作繁锁，携带不便，不适用于洞穴、隧道、煤矿井 下等特殊自然环境中的距离测量。因此，在矿山井下、洞穴、隧道等危险且复杂的自然环境 中亟需一种能够实现空间中任意两点距离测量的激光测距方法。
[0004] 激光测距技术是目前应用较为广泛的一种激光技术，它与其他常用的测距方法相 比，具有操作方便、精度高和随时随地均可使用等优点，而且激光测距的无接触式测量还可 以避免人工参与，杜绝了对待测目标的人为破坏。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的缺陷，本发明提供一种井下空间测距方法及装置，旨在完成煤矿 井下三维空间中任意点间距离的快速准确测量。
[0006] 本发明提供的一种井下空间测距方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
[0007] 第1步利用激光测距传感器，在三维空间中寻找测距目标点；
[0008] 第2步锁定目标点后，获取激光测距传感器反馈的距离值和两个角度传感器反馈 的角度值；
[0009] 第3步利用激光测距传感器和角度传感器反馈的数据进行坐标解算，获得目标点 相对于装置内部的机械原点的三维直角坐标；
[0010] 第4步如果是以装置内部的机械原点为测距基点，则坐标解算获得目标点到装置 内部机械原点的距离值，否则，获得本次测距目标点到所选测距基点的距离值；
[0011] 第5步重复第1步到第4步，连续进行空间测距，直到任务完成。
[0012] 本发明提供的一种井下空间测距装置，其特征在于，该装置包括激光测距传感器、 窗口、水平台、四面镜、竖直电机、水平电机、电机驱动单元、微控制器和数据传输存储模块； 其中，激光测距传感器安装在四面镜的上方，机械轴一端连接激光测距传感器，并使激光测 距传感器位于四面镜的上方，另一端穿过四面镜中心与竖直电机相连，窗口位于四面镜的 反射光路上，激光测距传感器、四面镜、窗口和竖直电机共同构成激光测距与反射光路模 块；
[0013] 所述水平台由底座支撑，并通过带角度传感器的机械轴与水平电机相连，水平电 机能够带动水平台沿着水平方向旋转，激光测距传感器、窗口、四面镜和竖直电机都安装在 所述水平台上，从而使得激光测距传感器、窗口及四面镜能够同时沿着水平方向旋转；
[0014] 安装在水平电机与水平台相连的机械轴上的角度传感器用来测量水平台的旋转 角，安装在竖直电机与四面镜相连的机械轴上的角度传感器用来测量四面镜的旋转角；
[0015] 所述角度传感器，激光测距传感器，数据传输与存储模块，以及电机驱动单元均通 过相应的接口与所述微控制器连接；
[0016] 所述数据传输与存储模块用于将微控制器处理后数据存储下来，并将数据向外传 送；
[0017] 所述电机驱动单元用于将微控制器发出的控制信号转换成电机的驱动信号，使两 路电机在驱动信号作用下旋转并带动四面镜与水平台旋转；
[0018] 所述微控制器用于对向电机驱动单元输出控制信号，读取角度传感器和激光测距 传感器反馈的数据并进行坐标解算，通过数据传输与存储模块记录测距数据并将数据传 送。
[0019] 本发明提供的装置工作时，所述激光测距传感器既是激光发射器又是接收器，其 发射的激光束照射到所述四面镜的镜片上，经过四面镜反射后的激光从窗口射出，光束遇 到障碍物后被反射回来构成激光传输的回路，激光测距传感器内部的接收器接收到激光回 波信号，通过测量每次的出射信号与回波信号的差别，计算得到传感器内部的激光出射点 到目标点的距离，激光测距传感器直接输出这个距离值。
[0020] 本发明提供的方法具有测距精度高、易于实现等优点。使用便携式的空间测距装 置可完成三维空间内的任意点间距离的测量，使用肉眼可见的红外激光可迅速寻找到测距 目标点，而待测目标点无需工作人员，就可以在很短时间内便可精确的完成测量工作，相对 于全站仪结构更简单，操作更方便，同时克服了以往人工测量速度慢、效率差、精度低等缺 点。
【附图说明】
[0021 ]图1是激光扫描实现空间任意两点之间距离测量方法的流程框图；
[0022]图2是本发明提供的空间测距装置机械结构示意图；其中，1.激光测距传感器2. 窗口 3.水平台4.底座四面镜6.竖直电机7.水平电机；
[0023] 图3是本发明提供的空间测距装置的硬件结构示意图；
[0024] 图4是本发明提供的空间测距装置的水平旋转角与竖直旋转角示意图；
[0025] 图5是本发明提供的空间测距装置的四面镜在各个旋转角度时的激光光路示意 图；
[0026] 图6是本发明提供的空间测距装置在水平方向与竖直方向分别绕轴旋转的示意 图；
[0027] 图7是本发明提供的空间测距装置的四面镜扫描几何模型图；
[0028]图8是本发明提供的空间测距装置进行三维空间测距的示意图。
【具体实施方式】
[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0030] 下面将参照【附图说明】来具体描述实施例中的空间测距方法，如图1所示，方法包括 以下步骤：
[0031] S1:操作空间测距装置，在三维空间中寻找测距目标点。
[0032] 本发明提供的空间测距装置所搭载的激光测距传感器发射肉眼可见的红外激光， 装置使用两路电机使得激光测距传感器发射的红外激光束可以指向三维空间中的任意目 标点，两路电机的启动与停止可分别手动操作，二者互不干扰，控制两路电机的启停即可控 制激光束所指向的位置，待激光束指向目标点时，手动停止电机即可。
[0033] S2:锁定目标点后，启动激光测距传感器，获得激光测距传感器反馈的距离值和两 个角度传感器反馈的角度值。
[0034] S3:利用激光测距传感器和角度传感器反馈的数据进行坐标解算，获得目标点相 对于装置内部的机械原点的三维直角坐标，测距装置内部的机械原点默认为测距基点，测 距基点可选择，可根据实际需求，手动选择是否将此次测距的目标点作为下一次测距的基 准点（即原点）。
[0035]为了获取空间中某个测距目标点的三维坐标信息，需要确定三个维度值。由于空 间点的笛卡尔直角坐标不易直接获得，可以先求取球面坐标，然后通过坐标平移与变换得 到笛卡尔直角坐标。球面坐标由两个角度和一个长度组成，本实施例中空间测距装置的两 个角度传感器反馈的角度值对应空间点球面坐标的两个角度，激光测距传感器反馈的距离 值对应空间点球面坐标的一个长度。
[0036] S4:坐标解算完成后，若步骤S3中没有选择基点，即以装置内部的机械原点为测距 基点，则获得目标点到装置内部机械原点的距离值，若步骤S3中选择了基点，则将获得本次 测距目标点到所选基点的距离值。
[0037] S5:重复步骤S1-S4，连续进行空间测距，直到任务完成。
[0038]本发明实施例提供了一种井下空间测距装置，如图2、图3所示，该装置包括激光测 距传感器1、窗口 2、水平台3、底座4、四面镜5、竖直电机6、水平电机7、电机驱动单元、微控制 器和数据传输存储模块。其中，激光测距传感器1安装在四面镜5的上方，带有角度传感器的 机械轴（即竖直旋转轴)一端连接激光测距传感器1，并使激光测距传感器1位于四面镜5的 上方，另一端穿过四面镜中心与竖直电机相连，窗口 2位于四面镜5的反射光路上，激光测距 传感器1、四面镜5、窗口 2和竖直电机6共同构成激光测距与反射光路模块，激光测距传感器 既是激光发射器又是接收器，其发射的激光束照射到四面镜5的镜片上，四面镜5在竖直电 机6的带动下旋转，经过四面镜5反射后的激光从窗口 2射出，光束射至物体表面后一部分将 沿原路反射回来被激光测距传感器1接收。
[0039]水平台3由固定的底座4支撑，并通过带角度传感器的机械轴（即水平旋转轴)与水 平电机7相连，水平电机7带动水平台3沿着水平方向旋转，激光测距传感器1、窗口 2、四面镜 5和竖直电机6都安装在可旋转的水平台3上，从而使得激光测距传感器1、窗口 2及四面镜5 同时沿着水平方向旋转。竖直电机6带动四面镜5旋转，水平电机7带动水平台3旋转，两路电 机相互独立，互不干扰。
[0040] 安装在水平电机7与水平台3相连的机械轴上的角度传感器用来测量水平台3的旋 转角，安装在竖直电机6与四面镜5相连的机械