專利名稱：自動測定兩個物體間相對方向的系統(tǒng)和實施方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種自動測定兩個物體間相對方向的系統(tǒng)和實施方法，通過對一定范圍空間內發(fā)射能量信號進行掃描，并根據(jù)被測物體接收到此能量信號的時刻來確定相對測量者的準確方向，以便控制機械設備轉動對準被測物體。它屬于以采用光學方法為特征的測量和控制裝置及實施方法。
背景技術：
在近距離(20米左右)應用中，有許多場合要求一個物體能感知并指向另一個運動物體的方向。比如，電視會議系統(tǒng)，可視電話以及網絡遠程教育中實時采集主課堂教學現(xiàn)場信息的攝影等。其他領域類似的運用也很多。
在通常的電視會議系統(tǒng)，可視電話系統(tǒng)中，攝像機被固定在一個系統(tǒng)的主體上，只能對處于既定視野內的對象進行拍攝，一旦使用者在談話期間移動，就要顧及該攝像機，并不得不在觀察監(jiān)視器的同時直接地調節(jié)攝像機，這種系統(tǒng)的使用頗為不便。
傳統(tǒng)的自動跟蹤裝置包括用于在水平和垂直方向上旋轉攝像機的一個攝像機驅動裝置和一個用于檢測目標移動的運動檢測器，該裝置產生對應于被測的目標運動矢量的大小和方向的馬達驅動信號，并控制攝像機，以便使得該目標定位在攝像機鏡頭的前方，從而解決了使用上的不方便。但是，在上述的自動方法中，由于使用了圖像處理技術，跟蹤的實時性受到影響。在目前該類成熟的應用中，存在不少問題。比如，一旦畫面中出現(xiàn)顏色與被跟蹤物體相似的物體時，很容易發(fā)生跟蹤失誤，而且當目標運動到攝像機取景范圍以外時，攝像機便不能夠跟蹤目標。因此，當用戶想要讓一個視頻照相機(攝像機)跟蹤目標在某一區(qū)域的自由運動的時候，這項的技術的局限性就變得相當明顯。
美國專利5,465,144(Remote tracking system for moving picture camerasand method)中，提出了根據(jù)相機中的控制系統(tǒng)所含有的一個參考位置來計算一個目標物的轉移角度方向和轉移速度，據(jù)此確定該移動目標物的實際角度位置，從而控制相機的鏡頭對準、跟蹤該目標物的方法。該方法用來自一固定位置(base)的持續(xù)紅外線能量源信號，對含有某一目標物的區(qū)域進行掃描。這個能量源根據(jù)相機的控制系統(tǒng)中所含有的參考位置來改變信號，使每一次掃描過程中該目標物能接收到多個強度級別的掃描信號，從而產生指示掃描信號和物體之間的對準的信息。在目標物上檢測其所接收到的信號的強度級別，得到信號里所提供的對準信息。之后從目標物上產生一個返回信號，這個返回信號里包含有從目標物上接收到的位置信息的指示。固定位置(base)接收到返回信號，獲取位置指示信息，得出參考位置，確定掃描信號和目標物的相對角度，從而使安裝有相機的控制系統(tǒng)進行相應的機械轉動，以實現(xiàn)對目標物的跟蹤。
上述方法有其合理性，但是，由于使用旋轉的鏡頭，其掃描信號的掃描有效角度范圍較小(90度)，故跟蹤范圍不夠大；由于使用了峰值檢測技術，系統(tǒng)的分辨率和抗干擾性能不高；對信號發(fā)射的機械控制條件要求高，否則難以達到精確的掃描和理想的跟蹤效果。
中國專利局申請?zhí)枮?3104684.X的專利也是一種自動跟蹤裝置。它的實現(xiàn)是這樣的用帶有發(fā)射機的主動機遙控帶有接收機的被動機，使被動機自動跟隨主動機的轉動而轉動直至對準主動機，從而實現(xiàn)對主動機的跟蹤的方法。主動機可以發(fā)射電磁波信號和紅外信號，被動機采用方向性天線和互成一定角度的兩只限向紅外接收管來接收信號。由于紅外接收管在管窗中有一定的指向，方向性天線也有方向性，通過接收到的電磁波和紅外信號就可以使被動機指向主動機。由于電磁波本身固有的特性，電磁波的干擾、反射等比較嚴重，在近距離判別方向誤差很大。而成一定角度的兩只限向紅外接收管接收紅外信號時，由于紅外信號發(fā)射具有一定方向性，這就要求主動機的紅外發(fā)射面要始終面向被動機，這就造成使用上極為不便。此類遙控跟蹤方法過于粗略，無法達到精確的跟蹤、監(jiān)測效果，其實用性也較差。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是，提供一種自動測定兩個物體間的相對方向的系統(tǒng)和實施方法，該系統(tǒng)整合了計算機軟硬件、電磁波、激光、紅外、傳感、單片機的高新技術，提供一種易于實現(xiàn)、精確度高、實時性好的自動測量裝置和方法，以較低的成本實現(xiàn)了對運動目標的自動跟蹤。
本發(fā)明的技術方案是自動測定特定運動物體相對基準位置的方向的系統(tǒng)，包括一微計算機系統(tǒng)、向微計算機系統(tǒng)提供信號的掃描位置探測模塊，能量接收處理模塊、旋轉掃描模塊、能量發(fā)射器以及能量發(fā)射控制模塊。所述的能量發(fā)射控制模塊的輸出端與能量發(fā)射器聯(lián)接，后者對旋轉掃描模塊發(fā)射能量，形成在空間運動的掃描能量束；設有再歸反射跟蹤器，所述的掃描能量束的一部分能量被再歸反射跟蹤器原路反射回去，形成反射能量束，它通過反射能量接收通道達到其末端的凸透鏡，并聚焦于能量接收處理模塊中的能量接收感應器；該能量接收感應器通過有線聯(lián)接將接收能量的時間記錄于微計算機系統(tǒng)；掃描位置探測模塊將探測到的能量的位置信號反饋給能量發(fā)射控制模塊和微計算機系統(tǒng)；所述的反射能量接收通道包括一個對所述能量具有高反射率的旋轉反射鏡和一個固定反射鏡，以及一個凸透鏡，從再歸反射跟蹤器反射回來的部分能量通過上述三鏡所構成的通道聚焦在能量接收感應器上。
所述的旋轉掃描模塊包括安裝在旋轉反射鏡轉軸上的旋轉反射鏡和旋轉反射鏡座，其驅動裝置由掃描電機、小皮帶輪、皮帶和大皮帶輪組成；再歸反射跟蹤器的每個基本單元由能反射所述的能量的三片互相垂直的鏡片、或微棱鏡、或反射材料制成的微珠構成。所述的掃描位置探測模塊由旋轉反射鏡位置指示片和旋轉反射鏡位置探測器構成；旋轉反射鏡位置探測器可以是光續(xù)斷器或霍爾元件；旋轉反射鏡位置指示片可以由能量遮擋、反射材料或磁性材料構成。所述的能量發(fā)射器發(fā)出的能量可以是可見光、或者是紅外光、或者是紫外光、或者是可見光激光、或者是紅外光激光、或者是紫外光激光。所述的固定反射鏡是一種能部分反射和部分透射能量的鏡片；也可以是中間具有狹縫的反射鏡；固定反射鏡的平面與能量發(fā)射器發(fā)射的能量所成角度不小于0度，不大于90度。
自動測定特定運動物體相對基準位置方向的系統(tǒng)的實施方法，具步驟如下被固定于所述系統(tǒng)的能量發(fā)射器在能量發(fā)射控制模塊的控制下發(fā)出預先定義好形狀的能量束，它的一部分透過固定反射鏡，照射到達旋轉掃描模塊中的旋轉反射鏡。
安裝在旋轉反射鏡轉軸上的旋轉反射鏡和旋轉反射鏡座在掃描電機、小皮帶輪、皮帶和大皮帶輪的帶動下勻速旋轉。
旋轉反射鏡反射的掃描能量束在旋轉反射鏡前面的空間中進行掃描。
掃描位置探測模塊在特定位置上向微計算機系統(tǒng)發(fā)出信號，微計算機系統(tǒng)精確計算出旋轉反射鏡旋轉一周所用的時間和旋轉反射鏡在特定位置的時間。
當掃描能量束掃描到再歸反射跟蹤器時，再歸反射跟蹤器反射出反射能量束，反射能量束沿著原來掃描能量束的方向反射回去，在經過旋轉反射鏡、固定反射鏡和凸透鏡之后，會聚到能量接收處理模塊中的能量接收感應器上。
在能量信號被能量接收處理模塊處理之后，輸出到微計算機系統(tǒng)中，微計算機系統(tǒng)把接收到信號的時間與旋轉反射鏡旋轉一周所需要的時間進行比較，計算出再歸反射跟蹤器相對于運動掃描模塊的角度。
在垂直和水平方向同時使用這樣的裝置和方法，就可以在空間中獲得指向再歸反射跟蹤器的方向。
本發(fā)明的優(yōu)點在于與同類裝置和方法相比，結構簡單，測量自動化程度高，抗干擾能力強，可用于自動跟蹤攝像、自動跟蹤照明、自動檢測場合，在工農業(yè)生產、國防、遠程教學、視頻會議領域都有廣泛的應用前景。


圖1是本發(fā)明的一個最佳實施例的一個系統(tǒng)結構框2是圖1中旋轉掃描模塊的結構俯視3是圖1中旋轉掃描模塊、掃描位置探測模塊和反射能量接收通道的結構俯視4是圖1中旋轉掃描模塊、掃描位置探測模塊和反射能量接收通道的結構前面5是圖1中能量接收處理模塊的組成和工作流程框6是圖1中能量發(fā)射控制模塊的組成和工作流程框7是圖1中掃描位置探測模塊的組成和工作流程框中包括微計算機系統(tǒng)(1)、能量發(fā)射控制模塊(2)、掃描位置探測模塊(3)、能量接收處理模塊(4)、能量發(fā)射器(5)、旋轉掃描模塊(6)、再歸反射跟蹤器(7)、反射能量接收通道(8)、固定反射鏡(9)、掃描部分底板(10)、大皮帶輪(11)、旋轉反射鏡(12)、旋轉反射鏡座(13)、旋轉反射鏡位置指示片(14)、凸透鏡(15)、能量接收感應器(16)、掃描電機(17)、小皮帶輪(18)、皮帶(19)、旋轉反射鏡位置探測器(20)、電機軸(21)、旋轉反射鏡轉軸(22)、掃描部分外殼(23)、放大器(24)、自動增益控制電路(25)、濾波器(26)、檢波器(27)、振蕩器(28)、開關控制電路(29)、驅動電路(30)、放大處理電路(31)、掃描能量束(32)、反射能量束(33)。
具體實施方案如圖所示，自動測定兩個物體間相對方向的系統(tǒng)包括微計算機系統(tǒng)1、向微計算機系統(tǒng)1提供信號的掃描位置探測模塊3及能量接收處理模塊4、反射能量接收通道8、再歸反射跟蹤器7、旋轉掃描模塊6、能量發(fā)射器5和能量發(fā)射控制模塊2。能量發(fā)射控制模塊2能控制能量發(fā)射器5對旋轉掃描模塊6發(fā)射能量，能量經過旋轉掃描模塊6后會形成在空間運動的掃描能量束32，當這個掃描能量束32照射到再歸反射跟蹤器7后，有一部分能量被再歸反射跟蹤器7原路反射回，形成反射能量束33，并通過反射能量接收通道8被處于反射能量接收通道8末端的凸透鏡15聚焦于能量接收處理模塊4，能量接收處理模塊4將所接收到的能量的時間被微計算機系統(tǒng)1紀錄；同時當能量通過旋轉掃描模塊6時會被掃描位置探測模塊3探測到，并由掃描位置探測模塊3將探測到的能量的位置信號反饋給能量發(fā)射控制模塊2，并將數(shù)據(jù)記錄于微計算機系統(tǒng)1。
所述的反射能量接收通道8由旋轉反射鏡12、固定反射鏡9和凸透鏡15組成，從再歸反射跟蹤器7反射回來的部分能量通過這條通道聚焦在能量接收處理模塊4上。其中，旋轉反射鏡12對所述的能量具有高反射率。所述的掃描位置探測模塊3由旋轉反射鏡位置指示片14和旋轉反射鏡位置探測器20組成。旋轉反射鏡位置探測器20可以是光續(xù)斷器或霍爾元件，旋轉反射鏡位置指示片14可以是所述的能量遮擋、反射材料或磁性材料制成。所述的能量發(fā)射器5發(fā)出的能量可以是可見光、或者紅外光、或者是紫外光、也可以是可見光激光、或者是紅外光激光、或者是紫外光激光。
所述的旋轉掃描模塊6設有提供動力的掃描電機17、掃描電機17通過電機軸21、小皮帶輪18、皮帶19，帶動大皮帶輪11、旋轉反射鏡座13旋轉，從而帶動旋轉反射鏡12繞旋轉反射鏡轉軸22旋轉，該旋轉反射鏡12能反射所述的能量。固定反射鏡9能透過能量發(fā)射器5發(fā)出的能量，同時能把從再歸反射跟蹤器7反射到旋轉反射鏡12的能量信號反射到凸透鏡15上。固定反射鏡9可以是部分反射能量、部分透射能量的鏡片，也可以是中間有狹縫的、能反射能量的反射鏡。射向再歸反射跟蹤器7所述的能量，能被再歸反射跟蹤器7原方向反射回去。再歸反射跟蹤器7每個基本單元可以由三片互相垂直的、能反射所述的能量的鏡片組成，或由能反射所述的能量的微棱鏡組成，或由能反射所述的能量的反射材料微珠組成。
如圖所示，自動測定兩個物體間相對方向的方法如下固定于所述系統(tǒng)的能量發(fā)射器5在能量發(fā)射控制模塊2的控制下發(fā)出預先定義好形狀的能量束，它的一部分透過固定角度的反射鏡，照射到達旋轉掃描模塊6中的旋轉反射鏡12。旋轉反射鏡12在掃描電機17、小皮帶輪18、皮帶19，大皮帶輪11、旋轉反射鏡座13的帶動下勻速旋轉。被旋轉反射鏡12反射的掃描能量束在旋轉反射鏡12前面的空間中進行掃描。由于掃描位置探測模塊3在特定位置上會向微計算機系統(tǒng)1發(fā)出信號，微計算機系統(tǒng)1能精確計算出旋轉反射鏡12旋轉一周所用的時間。當掃描能量束32掃描到再歸反射跟蹤器7時，再歸反射跟蹤器7會反射出反射能量束33，反射能量束33沿著原來掃描能量束32的方向反射回去，經過旋轉反射鏡12、固定角度反射鏡9反射后，在凸透鏡15后會聚到能量接收感應器16上。該能量信號被能量接收處理模塊4處理后，輸出到微計算機系統(tǒng)1。微計算機系統(tǒng)1把接收到信號的時間與旋轉反射鏡12旋轉一周所需要的時間進行比較，就可以計算出再歸反射跟蹤器7相對于運動掃描模塊6的角度。在垂直和水平方向都使用這樣的裝置和方法，就可以在空間中獲得指向再歸反射跟蹤器7的方向。
權利要求
1.一種自動測定特定運動物體相對基準位置的方向的系統(tǒng)，包括一微計算機系統(tǒng)、向微計算機系統(tǒng)提供信號的掃描位置探測模塊，能量接收處理模塊、旋轉掃描模塊、能量發(fā)射器以及能量發(fā)射控制模塊，其特征在于所述的能量發(fā)射控制模塊(2)的輸出端與能量發(fā)射器(5)聯(lián)接，后者對旋轉掃描模塊(6)發(fā)射能量，形成在空間運動的掃描能量束(32)；設有再歸反射跟蹤器(7)，所述的掃描能量束(32)的一部分能量被再歸反射跟蹤器(7)原路反射回去，形成反射能量束(33)，它通過反射能量接收通道(8)達到其末端的凸透鏡(15)，并聚焦于能量接收處理模塊(4)中的能量接收感應器(16)；該能量接收感應器(16)通過有線聯(lián)接將接收能量的時間記錄于微計算機系統(tǒng)(1)；掃描位置探測模塊(3)將探測到的能量的位置信號反饋給能量發(fā)射控制模塊(2)和微計算機系統(tǒng)(1)；所述的反射能量接收通道(8)包括一個對所述能量具有高反射率的旋轉反射鏡(12)、和一個固定反射鏡(9)，以及一個凸透鏡(15)，從再歸反射跟蹤器(7)反射回來的部分能量通過上述三鏡所構成的通道聚焦在能量接收感應器(16)上。
2.按照權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的旋轉掃描模塊(6)包括安裝在旋轉反射鏡轉軸(22)上的旋轉反射鏡(12)和旋轉反射鏡座(13)，其驅動裝置由掃描電機(17)、小皮帶輪(18)、皮帶(19)和大皮帶輪(11)組成；
3.按照權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的再歸反射跟蹤器(7)的每個基本單元由能反射所述的能量的三片互相垂直的鏡片、或微棱鏡、或反射材料制成的微珠構成。
4.按照權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的掃描位置探測模塊(3)由旋轉反射鏡位置指示片(14)和旋轉反射鏡位置探測器(20)構成；旋轉反射鏡位置探測器(20)可以是光續(xù)斷器或霍爾元件；旋轉反射鏡位置指示片(14)可以由能量遮擋、反射材料或磁性材料構成。
5.按照權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的能量發(fā)射器(5)發(fā)出的能量可以是可見光、或者是紅外光、或者是紫外光、或者是可見光激光、或者是紅外光激光、或者是紫外光激光。
6.按照權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的固定反射鏡(9)是一種能部分反射和部分透射能量的鏡片；也可以是中間具有狹縫的反射鏡；固定反射鏡(9)的平面與能量發(fā)射器(5)發(fā)射的能量所成角度不小于0度，不大于90度。
7.一種自動測定特定運動物體相對基準位置方向的系統(tǒng)的實施方法，其步驟如下被固定于所述系統(tǒng)的能量發(fā)射器(5)在能量發(fā)射控制模塊(2)的控制下發(fā)出預先定義好形狀的能量束，它的一部分透過固定反射鏡(9)，照射到達旋轉掃描模塊(6)中的旋轉反射鏡(12)；安裝在旋轉反射鏡轉軸(22)上的旋轉反射鏡(12)和旋轉反射鏡座(13)在掃描電機(17)、小皮帶輪(18)、皮帶(19)和大皮帶輪(11)的帶動下勻速旋轉。旋轉反射鏡(12)反射的掃描能量束(32)在旋轉反射鏡(12)前面的空間中進行掃描；掃描位置探測模塊(3)在特定位置上向微計算機系統(tǒng)(1)發(fā)出信號，微計算機系統(tǒng)(1)精確計算出旋轉反射鏡(12)旋轉一周所用的時間和旋轉反射鏡(12)在特定位置的時間；當掃描能量束(32)掃描到再歸反射跟蹤器(7)時，再歸反射跟蹤器(7)反射出反射能量束(33)，反射能量束(33)沿著原來掃描能量束(32)的方向反射回去，在經過旋轉反射鏡(12)、固定反射鏡(9)和凸透鏡(15)之后，會聚到能量接收處理模塊(4)中的能量接收感應器(16)上；在能量信號被能量接收處理模塊(4)處理之后，輸出到微計算機系統(tǒng)(1)中，微計算機系統(tǒng)(1)把接收到信號的時間與旋轉反射鏡(12)旋轉一周所需要的時間進行比較，計算出再歸反射跟蹤器(7)相對于運動掃描模塊(6)的角度；在垂直和水平方向同時使用這樣的裝置和方法，就可以在空間中獲得指向再歸反射跟蹤器(7)的方向。
全文摘要
本發(fā)明的能量發(fā)射器在能量發(fā)射控制模塊的控制下發(fā)出預定形狀的能量束，其一部分透過固定反射鏡射達旋轉掃描模塊中勻速旋轉的反射鏡；其反射的掃描能量束進行掃描；掃描位置探測模塊向微計算機系統(tǒng)發(fā)出信號，計算出旋轉反射鏡旋轉一周所需時間和在特定位置的時間；當掃描到再歸反射跟蹤器時，后者反射出的能量束被反射回去，經旋轉反射鏡、固定反射鏡和凸透鏡會聚到能量接收處理模塊中的能量接收感應器上；處理后的信號由微計算機系統(tǒng)把接收到信號的時間與上述的時間進行比較，計算出再歸反射跟蹤器相對于運動掃描模塊的角度。
文檔編號H04N5/232GK1808169SQ20051000235
公開日2006年7月26日 申請日期2005年1月19日 優(yōu)先權日2005年1月19日
發(fā)明者徐得峰 申請人:北京創(chuàng)先泰克科技有限公司