[发明专利]灯塔式平面运动空间移动目标自定位系统及自定位方法

权利要求书

1.一种灯塔式平面运动空间移动目标自定位系统，包括信号发射塔和信号接收器，其特征在于，所述的信号发射塔包括有：分别设置在信号发射塔底座(7)上的无线信号发射及控制驱动单元(8)和与无线信号发射及控制驱动单元(8)发射端相连的无线信号发射天线(12)，所述无线信号发射及控制驱动单元(8)上连接有内置旋转编码器的直流减速电机(9)，所述直流减速电机(9)的输出轴连接激光发射器(10)，所述直流减速电机(9)的输出轴上安装有给旋转的激光发射器(10)持续供电的导电滑环(11)，所述无线信号发射及控制驱动单元(8)对所述旋转编码器的输出脉冲进行计数，得到直流减速电机(9)的转角和转速，进而控制并驱动直流减速电机(9)带动激光发射器(10)匀速旋转，同时通过无线信号发射天线(12)发送通过直流减速电机(9)的转角得到的激光发射器(10)当前的激光束方向和旋转速度；所述的信号接收器包括有：分别设置在需要进行自定位的移动平台(1)上的激光接收柱安装底座(6)和与激光接收柱安装底座相连的无线信号接收及位置解算单元(2)，所述激光接收柱安装底座(6)上设置有三个光电转换单元(5)，每个光电转换单元(5)上连接有一个用于接收所述激光发射器(10)发射的激光信号的激光接收柱(4)，所述无线信号接收及位置解算单元(2)上连接有用于接收所述无线信号发射天线(12)所发射信号的无线信号接收天线(3)。

2.根据权利要求1所述的灯塔式平面运动空间移动目标自定位系统，其特征在于，无线信号的发射和接收是采用WiFi或射频方式。

3.根据权利要求1所述的灯塔式平面运动空间移动目标自定位系统，其特征在于，所述的三个光电转换单元(5)按等边三角形排布，所述等边三角形的中心与移动平台(1)的运动中心重合，所述的激光接收柱(4)竖直安装在光电转换单元(5)上，所述的激光接收柱(4)收集的光信号通过光电转换单元(5)转换为电信号送入无线信号接收及位置解算单元(2)。

4.根据权利要求1所述的灯塔式平面运动空间移动目标自定位系统，其特征在于，所述的无线信号发射及控制驱动单元(8)包括有第一单片机(8.1)，分别连接所述无线信号发射及控制驱动单元(8)输出端的电机驱动模块(8.2)和无线发射模块(8.3)，其中，所述无线信号发射及控制驱动单元(8)的信号输入端连接所述内置在直流减速电机(9)中的旋转编码器的信号输出端，所述电机驱动模块(8.2)的输出端连接所述直流减速电机(9)，所述无线发射模块(8.3)的输出端连接所述无线信号发射天线(12)。

5.根据权利要求1所述的灯塔式平面运动空间移动目标自定位系统，其特征在于，所述的无线信号接收及位置解算单元(2)包括有第二单片机(2.1)和连接在第二单片机(2.1)输入端的无线接收模块(2.2)，所述无线接收模块(2.2)的输入端连接所述无线信号接收天线(3)，所述第二单片机(2.1)的输入端还连接光电转换单元(5)，所述第二单片机(2.1)的输出端连接移动平台(1)串行通讯端口。

6.一种权利要求1所述的灯塔式平面运动空间移动目标自定位系统的自定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)设移动平台(1)的运动中心在t时刻位于直角坐标系中的P点，姿态为α，P与α待求；激光发射器(10)的旋转中心位于直角坐标系的原点，即O点，连续发射激光束；

2)无线信号发射及控制驱动单元(8)实时发送激光束的当前角度；

3)位于移动平台(1)上的三个激光接收柱(4)的位置分别为P₁、P₂、P₃点，该三点构成等边三角形，等边三角形的边长记为L，等边三角形的中心点与移动平台的运动中心P重合，P点到P₁点的方向与移动平台的正前方向重合；

4)t时刻激光发射器(10)匀速快速旋转，无线信号发射及控制驱动单元(8)同步发送当前激光发射器(10)发射的激光束方向及旋转角速度，当激光束扫射到第i个激光接收柱(4)时，i＝1,2,3，与该激光接收柱(4)相连的光电转换单元(5)将激光接收柱(4)接收的光信号转换为电信号输出给无线信号接收及位置解算单元(2)，该电信号出现时无线信号接收及位置解算单元(2)将t时刻接收到的激光束方向保存为θ_i；

5)记O点到P_i点的矢量为v_i＝(ρ_i,θ_i)，i＝1,2,3，其中ρ_i为矢径，θ_i为矢角；P₂、P₃指向P₁的矢量分别记为v₂₁和v₃₁，v_i与v₂₁、v₃₁满足以下关系，i＝1,2,3：

由于v₂₁和v₃₁的矢角相对方向分别偏移了-π/6和π/6，矢径均为等边三角形的边长L，因此，v₂₁＝(L,α-π/6)，v₃₁＝(L,α+π/6)，将式(1)分别沿x和y方向展开得到：

方程组(2)中，θ_i由无线信号接收及位置解算单元(2)中的无线接收模块(2.2)实时接收获得：当与第i个激光接收柱相连的光电转换单元(5)有电信号输出时，将无线接收模块(2.2)接收到的激光束方向记为θ_i，属于已知量；L为等边三角形的边长，为已知常数；未知量为α和ρ_i，i＝1,2,3，由于未知量数目与方程个数相等，因此方程组(2)可解，采用数值计算方法求解方程组(2)；

6)在算得α和ρ_i后，由于P₁、P₂、P₃点构成等边三角形，等边三角形的中心点与P点重合，则求出t时刻位置P(x,y)：

由此，解算出该移动平台(1)t时刻的位置P，以及姿态α。