[发明专利]一种变角度测距仪及其使用方法

权利要求书

1.一种变角度测距仪的使用方法，基于一种变角度测距仪实现，其特征在于，所述变角度测距仪包括测量支杆(1)、第一激光发射器(21)、第二激光发射器(22)、双轴倾角传感器(23)、控制器(3)和显示装置(4)；所述测量支杆(1)的一端固定套设有固定块(11)，所述第一激光发射器(21)通过第一转动机构(51)与所述固定块(11)转动连接；所述测量支杆(1)的杆身上滑动套设有滑块(12)，所述第二激光发射器(22)通过第二转动机构(52)与所述滑块(12)转动连接，所述双轴倾角传感器(23)与所述第二激光发射器(22)固定连接；所述第一激光发射器(21)用于定位目标位置，所述第二激光发射器(22)用于定位测量支杆(1)杆身上不同位置到目标位置之间的角度，所述双轴倾角传感器(23)用于获取对应角度的电信号；所述控制器(3)的输入端与所述双轴倾角传感器(23)电连接，接收所述双轴倾角传感器(23)获取的角度的电信号，并根据不同位置与目标位置之间的角度以及不同位置之间的距离计算测量支杆(1)与目标位置间的位置关系；所述显示装置(4)与所述控制器(3)的输出端电连接，用于显示位置关系的信息；所述控制器(3)包括单片机和键盘，所述键盘与所述单片机的输入端电连接，用于向单片机发送指令；

所述使用方法包括以下步骤：

将测量支杆(1)放置在测量点，打开第一激光发射器(21)，调整第一转动机构(51)使第一发射器的光斑对准目标位置；

移动滑块(12)，将滑块(12)固定于初始测量点，调整第二转动机构(52)使第二发射器的光斑对准第一发射器的光斑，同时通过键盘控制单片机获取当前双轴倾角传感器(23)获取的角度的电信号作为初始角度；向初始测量点的一方向移动滑块(12)至A测量点，调整第二转动机构(52)使第二发射器的光斑对准第一发射器的光斑，同时获取A测量点的角度；向初始测量点的另一方向移动滑块(12)至B测量点，使B测量点到初始测量点的距离与A测量点到初始测量点的距离相等，同时调整第二转动机构(52)使第二发射器的光斑对准第一发射器的光斑，并获取B测量点的角度；

通过键盘控制单片机进行计算，输出初始测量点与目标位置之间的位置关系至显示装置(4)显示；所述位置关系包括与目标位置的两点距离、高度距离和水平距离；

其中，所述单片机进行计算的过程具体为：

单片机中预先建立有测距仪的数学模型，所述双轴倾角传感器(23)的两个测量轴OX0和OY0设定为相互垂直，基于双轴倾角传感器(23)的旋转轴与水平面的夹角β、旋转轴在水平面上的投影与旋转轴之间的夹角γ以及旋转轴在水平面上的投影与测量轴OY0之间的夹角α确定双轴倾角传感器(23)的旋转模型；并基于双轴倾角传感器(23)的旋转模型建立双轴倾角传感器的输出信号和旋转角度之间的数学模型；具体为：

双轴倾角传感器(23)的旋转轴L和水平面夹角为β，其投影为y轴，两个测量轴OX0和OY0构成测量平面M0，旋转轴L在平面上的投影为OP，设OP和ov之间夹角为γ，其中ov为旋转轴L，OP和OY0 夹角为α；法向量设为OZ0，并以该法向量在yoz平面内为初始零位；由于OZ0是平面的法向量，且在yoz平面内，垂直于ox轴，那么ox在平面内，由于测量轴OX0和OY0是垂直的，所以OX0和ox之间的夹角也是α；这样，由α、β、γ可唯一确定双轴倾角传感器的旋转模型；

初始值为：

X₀＝[cosα，sinαcosγ，sinαsinγ]，Y₀＝[-sinα，cosαcosγ，cosαsinγ]

当逆时针旋转，绕v轴旋转则旋转矩阵为：

绕旋转轴转θ角后，X₀·R_v(θ)与Y₀·R_v(θ)得：

X＝[cosαcosθ+sinαsinγsinθ，sinαcosγ，-cosαsinθ+sinαsinγcosθ]

Y＝[-sinαcosθ+cosαsinγsinθ，cosαcosγ，sinαsinθ+cosαsinγcosθ]

与Z轴[0，sinβ，cosβ]夹角即为输出：

U_X＝cos(X，Z)＝sinαcosγsinβ-cosαcosβsinθ+sinαsinγcosβcosθ

U_Y＝cos(Y，Z)＝cosαcosγsinβ-sinαcosβsinθ+cosαsinγcosβcosθ

由此，建立了双轴倾角传感器的输出信号和旋转角度之间的数学模型，其中α、β、γ就是倾角传感器空间安装的位置参数；

U_X，U_Y进行二维旋转，即：

当sinγcosβ≠0时有：

将UX，UY坐标系下的斜椭圆逆时针旋转α角后变为UX’，UY’坐标系下的圆心为(0，cosγ·sinβ)的标准椭圆；因此：

假设：

于是有：

由求根公式得：

由旋转变换可知：

U′_Y＝U_Xsinα+U_Ycosα

所以：

当时，取

当时，取

U′_X、U′_Y坐标系椭圆圆心坐标为(0，cosγ·sinβ)，

因为且cos²γ≤1

所以

先确定α、β、γ角度范围，0°＜α＜90°，0°＜γ＜90°，-180°＜β＜0°；做直线平行于U′_X轴，交U′_Y轴于C点；

在U′_X、U′_Y坐标系下，只要椭圆最低点在之上，则恒有

当-90°＜β＜0°时，

β＜arctan(-cotγ)；

故有：β＜-90°+γ；

当-180°＜β＜-90°时，

β＞arctan(-cotγ)；

故有：β-90°-γ；

因此-90°-γ＜β＜-90°+γ时，(1)式取正号，即：

设备安装好后，α、γ不变，保持旋转轴与水平面角度不变；

取三组(U_X，U_Y)，由式(2)求出(α，β，γ)；

改变角度β，求出多组α、γ后进行平均，求出α、γ值；

当α、γ确定后，由式(2)求出β值；

由U′_X二维旋转变换知，

U′_X＝U_X·cosα-U_Y·sinα＝-cosβ·sinθ(3)

求出θ；转动旋转轴即可得Δθ；

把双轴倾角传感器23放置在测量支杆1上，固定α、γ角，通过测量变化的β角进行测量；

基于所述双轴倾角传感器的输出信号和旋转角度之间的数学模型建立测量模型，以初始角度为θ1，A测量点的角度为θ2，B测量点的角度为θ3，令Δθ1＝θ2-θ1，Δθ2＝θ1-θ3；

则与目标位置的两点距离d为：

与目标位置的高度距离h为：

h＝d·sinx.

其中，x为激光与水平面的夹角，sinx＝-cosβ·cos(|θ-θ₀|)；

其中，θ₀为旋转轴的初始角度，|θ-θ₀|为转动旋转轴产生的变化角；

与目标位置的水平距离D_水平为：