[发明专利]一种三维空间坐标寻迹方法及其数据采集装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于三维空间坐标寻迹的数据采集装置，本发明还涉及应用该装置的三维空间坐标寻迹方法。

背景技术

目前的目标循迹方法包含独立和非独立两种。在测绘领域一般采用非独立式依靠外部基准进行测距定位循迹的方法，例如GPS、卫星轨道测量、经纬仪全站仪地形测绘，可以测得受测目标的三维位置。一般在飞机及潜艇的使用上采用惯性导航的独立测量方法，以获得受测目标的三维旋转的四元数。

现有技术在中高速ms级别、中远距离百米级、高精度mm级测绘的技术领域及同时需要旋转姿态和相对偏移的场合往往缺乏必要的技术手段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于三维空间坐标寻迹的数据采集装置，能够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上的二维运动轨迹。

本发明进一步要解决的技术问题是：提供一种应用上述数据采集装置的三维空间坐标寻迹方法，具有测量距离远、测量速度快、测量精度高的特点。

解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

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，指引激光安装在固定位置上并指向固定方向，其中，第一激光束与第二激光束所在的平面与第一激光束与第三激光束所在的平面相垂直，所述平面示踪板安装在受测对象上，并分别与水平面、竖直平面形成不为0°且不为90°的夹角，所述第一至第三激光束依次在平面示踪板上形成第一至第三示踪点，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上的二维运动轨迹。

作为本发明的一种改进，所述第一激光束与第二激光束所在的平面平行于水平面，第一激光束与第三激光束所在的平面平行于竖直平面。

为了使得数据采集装置的灵敏度和测量范围的综合实用性最高，作为本发明的优选实施方式，作为本发明的一种改进，所述平面示踪板分别与水平面、竖直平面形成的夹角接近于45°。

作为本发明的一种改进，所述的指引激光还设有一束或者以上所述的激光束。

作为本发明的一种改进，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。

一种应用上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：

用上述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在平面示踪板上的二维运动轨迹；

步骤二：

将所述平面示踪板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作为等效旋转点，将运动前时刻的平面示踪板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的法线相平行，所述第一等效旋转轴即为所述平面示踪板在运动前、后时刻的经过所述等效旋转点的法线公垂线，第一等效旋转角等于平面示踪板在运动前、后时刻的法线夹角，所述第一示踪点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，第二等效旋转角等于第一示踪点与第二示踪点在第一等效旋转后的连线与运动后时刻的连线的空间夹角，也等于第一示踪点与第三示踪点在第一等效旋转后的连线与运动后时刻的连线的空间夹角，使得所述第一示踪点与第二示踪点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，所述第一示踪点与第三示踪点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。

作为本发明的一种改进，所述的三维空间坐标寻迹方法还包括：

步骤五：