[发明专利]一种三维空间坐标寻迹方法及其数据采集装置

权利要求书

1.一种用于三维空间坐标寻迹的数据采集装置，其特征在于：所述的数据采集装置包括指引激光、平面示踪板（Board）和图像传感器；所述指引激光设有三束相互平行且不共面的激光束（Laser_o，Laser_x和Laser_y），指引激光安装在固定位置上并指向固定方向，其中，第一激光束（Laser_o）与第二激光束（Laser_x）所在的平面与第一激光束（Laser_o）与第三激光束（Laser_y）所在的平面相垂直，所述平面示踪板（Board）安装在受测对象上，并分别与水平面、竖直平面形成不为0°且不为90°的夹角（α和β），所述第一至第三激光束（Laser_o，Laser_x和Laser_y）依次在平面示踪板（Board）上形成第一至第三示踪点（Po，Px和Py），所述图像传感器安装在受测对象上，用以记录下包含有受测对象三维运动姿态信息的所述各个示踪点在平面示踪板（Board）上的二维运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的数据采集装置，其特征在于：所述第一激光束（Laser_o）与第二激光束（Laser_x）所在的平面平行于水平面，第一激光束（Laser_o）与第三激光束（Laser_y）所在的平面平行于竖直平面。

3.根据权利要求2所述的数据采集装置，其特征在于：所述平面示踪板（Board）分别与水平面、竖直平面形成的夹角（α和β）接近于45°。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的数据采集装置，其特征在于：所述的指引激光还设有一束或者以上所述的激光束。

5.根据权利要求4所述的数据采集装置，其特征在于：所述的数据采集装置还包括支架；所述指引激光通过该支架安装在固定位置上，所述支架能够调节指引激光的指向。

6.一种应用权利要求1至5任意一项所述数据采集装置的三维空间坐标寻迹方法，包括以下步骤：

步骤一：

用权利要求1至5任意一项所述的数据采集装置对受测对象进行测量，以获取在受测对象的运动过程中所述第一至第三示踪点（Po、Px和Py）在平面示踪板（Board）上的二维运动轨迹；

步骤二：

将所述平面示踪板（Board）由运动前时刻至运动后时刻的旋转运动等效分解成第一次等效旋转和第二次等效旋转；

其中，第一次等效旋转为：以运动前时刻的所述第一示踪点（Po）作为等效旋转点，将运动前时刻的平面示踪板（Board）绕第一等效旋转轴转过第一等效旋转角到达第一中间平面，使得所述第一中间平面的法线与运动后时刻的所述平面示踪板（Board）的法线相平行，所述第一等效旋转轴即为所述平面示踪板（Board）在运动前、后时刻的经过所述等效旋转点的法线公垂线，所述第一示踪点（Po）在第一次等效旋转前后位置不变；

所述第二次等效旋转为：将所述位于第一中间平面的平面示踪板（Board）绕第二等效旋转轴转过第二等效旋转角到达第二中间平面，其中所述第二等效旋转轴为第一中间平面经过所述等效旋转点的法线，使得所述第一示踪点（Po）与第二示踪点（Px）在第二次等效旋转后的连线与在运动后时刻的连线相平行，所述第一示踪点（Po）与第三示踪点（Py）在第二次等效旋转后的连线与在运动后时刻的连线相平行，所述第一示踪点（Po）在第二次等效旋转前后位置不变；

从而根据所述步骤一获得的二维运动轨迹，计算出所述平面示踪板（Board）的第一次等效旋转的规范化旋转四元数；

步骤三：

计算出所述平面示踪板（Board）的第二次等效旋转的规范化旋转四元数；

步骤四：

将步骤二、三计算出的所述平面示踪板（Board）的第一次等效旋转和第二次等效旋转的旋转四元数相乘，计算得到从运动前时刻的平面示踪板（Board）到所述第二中间平面的旋转四元数，该计算结果即为受测对象从所述运动前时刻到所述运动后时刻的旋转四元数。

7.根据权利要求6所述的三维空间坐标寻迹方法，其特征在于：所述的三维空间坐标寻迹方法还包括：

步骤五：

以所述第一激光束（Laser_o）到第二激光束（Laser_x）的指向作为x轴，以所述第一激光束（Laser_o）到第三激光束（Laser_y）的指向作为y轴，将所述平面示踪板（Board）由运动前时刻至运动后时刻的平移运动等效分解成沿所述x轴和y轴的平移运动以及沿所述第一激光束（Laser_o）指向的平移运动；计算出受测对象从所述运动前时刻到所述运动后时刻的分别沿x轴和y轴的平移量。