CN103069253B - 激光跟踪器的自动预热和稳定性检查 - Google Patents

Abstract

一种确定激光跟踪器何时稳定的方法，该方法包括：利用激光跟踪器在第一目标上执行多个第一前视测量和多个第一后视测量，其中，多个第一前视测量和多个第一后视测量在时间上交替；基于多个第一前视测量和多个第一后视测量来计算多个第一双面误差；至少部分地基于多个第一双面误差来确定至少一个第一稳定性度量值，该至少一个第一稳定性度量值是通过规则所定义的值；至少部分地基于至少一个第一稳定性度量值和第一终止准则来确定该激光跟踪器是否稳定；以及生成该激光跟踪器是稳定还是不稳定的指示。

Description

激光跟踪器的自动预热和稳定性检查

相关申请的交叉引用

本申请要求在法律上相关的、2010年10月25日提交的第61/406,393号美国临时专利申请的优先权，其通过引用完全并入本文中。

技术领域

本发明涉及仪器预热和稳定性，并且更具体地，涉及自动预热诸如激光跟踪器等仪器或检查此类仪器的稳定性的系统和方法。

背景技术

存在一类通过向点发送激光束来测量该点的坐标的仪器。激光束可直接打到该点上或可打到与该点相接触的回射器目标上。在任一种情形下，该仪器通过测量相对于目标的距离和两个角度来确定该点的坐标。使用诸如绝对测距计或干涉计等测距装置来测量距离。使用诸如角度编码器等角度测量装置来测量角度。在仪器内的万向光束调向机构将激光束引导至感兴趣的点。Brown等人的美国专利No.4,790,651和Lau等人的美国专利No.4,714,339描述了确定点的坐标的示例性系统。

激光跟踪器是使用其发射的一个或更多个激光束来跟踪回射器目标的特殊类型的坐标测量装置。与激光跟踪器密切相关的是激光扫描器。激光扫描器向漫射表面上的点逐步发送（steps）一个或更多个激光束。激光跟踪器和激光扫描器都是坐标测量装置。通过引用并入本文的Becker等人的美国专利No.7,430,068和通过引用并入本文的Gittinger等人的美国专利No.7,847,922描述了示例性激光扫描器。现今普遍的做法是使用术语激光跟踪器来表示具有距离和角度测量能力的激光扫描器装置。还存在已知为全站仪或准距仪的、可测量回射器或漫散射表面的点的混合类型仪器。Gort等人的美国专利No.4,346,989中描述了示例性的全站仪。激光跟踪器通常具有一千英寸的量级的准确度并且在某些情况下具有相当于一个或两个微米的准确度，并且通常远远比全站仪或扫描器准确。在本申请中使用激光跟踪器的宽泛定义，即包括激光扫描器和全站仪。

通常激光跟踪器向回射器目标发送激光束。普通类型的回射器目标是球安装回射器（spherically mounted retroreflector,SMR），SMR包括嵌入金属球内的立方角回射器。立方角回射器包括三个相互垂直的镜。顶点（其是这三个镜的公共交点）位于该球的中心。由于立方角在球内的放置，即使在SMR旋转时，从立方角的顶点到SMR所依靠的任何表面的垂直距离保持不变。因此，激光跟踪器可以通过跟随在表面上移动的SMR的位置，来测量该表面的3D坐标。使用另一种方式陈述：激光跟踪器仅需要测量三个自由度（一个径向距离和两个角度）来充分表征表面的3D坐标。

补偿参数是在跟踪器可访问的软件或固件中存储的数值。这些数值被应用于原始的跟踪数据来改善跟踪器的准确度。最初，跟踪器的制造商通过执行被称为补偿程序的测量来寻找补偿参数。之后，将跟踪器用于客户现场作出测量。通过执行中期测试（interim tests）来周期性地检查跟踪器的准确度。如果准确度未达标准，则跟踪器操作者将在工厂车间执行一个或更多个补偿程序。这些补偿程序根据所需的测试和特定跟踪器而可能占用几分钟到一个小时或更多时间。尽管机械冲击也非常重要，但在大多数情形下，降低跟踪器准确度的主要原因是热漂移。

补偿参数通常涉及仪器的物理特性。下文的给定示例中，这些补偿参数中的一些涉及（1）激光束关于机械旋转点（万向点）的偏移量，（2）激光束关于垂直于两个机械轴所引出的线的角度，以及（3）两个机械轴的非方正度。许多其他类型的补偿参数被使用，但是通常这些补偿参数（也被称为运动学模型参数或简称参数）涉及仪器的物理特性。下文中，术语补偿参数和参数被认为是同义的。

当激光跟踪器在已被关闭了相当长的时间后被加电时，激光跟踪器由于电动机和内部的电子元件产生的热量而预热。如果环境温度是稳定的，则一段时间之后，通常约一个小时或两个小时之后，跟踪器到达稳定的平衡温度。完成预热之后，标准的计量实践需要对仪器进行补偿，其次需要进行中间测试程序以校验补偿是成功的。在补偿和测试程序已经完成之后，跟踪器准备好进行测量。如果在跟踪器充分预热之前，在激光跟踪器上执行补偿程序，则当跟踪器继续预热时，补偿参数将继续变化。当这种情况发生时，补偿参数变得越来越不准确并且测量结果相应地劣化。

从实践的角度来看，预热、补偿和测试的时间是损失的时间，这是因为在此时间跟踪器不可用来测量。由于这个原因，标准的计量实践是随时保持跟踪器持续加电。这消除了预热期并且保证跟踪器随时准备好进行测量。

然而，在许多真实世界的情形中不可能保持仪器持续加电。例如，该仪器可能需要被保存或运输到另一工作地点，或用户可能仅期望节约能量。在这样的情形下，不可能避免预热。在这些情形下，只能最小化仪器和用户损失的时间量。

预热情景将用户置于困难的境地。一方面，需要最小化等待仪器预热所损失的时间量。另一方面，对后续测量的准确度有要求。每当激光跟踪器的用户对其仪器加电时，他们都会面临该权衡。

每次预热的时序不同的事实加剧了该困难。具体的行为取决于跟踪器内的初始温度分布、环境条件和单个仪器的特性。随机噪声和长时间的漂移在一定程度上模糊了最初的瞬态行为和最终的稳态行为。另外，当长期的行为大致为稳态的情形下，人工操作者在判定该仪器是否“十分接近”稳态值时存在主观的因素。换句话说，在预热期间激光跟踪器的具体行为是复杂的，并且确定跟踪器何时预热是重要的行为。

本方法的最大限制可能是无法保证用户具有充足的技能和知识来准确作出预热的判定，这可导致许多误差。

在一定程度上，跟踪器的安装方式可帮助减少所需的预热时间。在Easley等人的美国已公布申请No.2010/0195117中给出了安装跟踪器的方法的示例。然而，这种安装方法不提供确定等待跟踪器被预热的时间量的方法。

即使该仪器已经被预热了，也需要检查诸如激光跟踪器等仪器的稳定性。检查仪器稳定性的一个原因是保证性能始终被满足。如果自动执行这样的检查仪器的方法，则特别方便。此外，如果该仪器不具有期望的绝对性能或稳定性，则特别希望具有诊断性能或稳定性下降的原因的方法。还希望将证明激光跟踪器在使用时已被预热或保持稳定的“书面记录”提供给审核员。

需要准确的、客观的、定量的并且可能是自动化的方法来确定仪器何时被预热或稳定。

发明内容

至少一个示例性实施例包括用于确定激光跟踪器何时稳定的方法，该方法包括：利用激光跟踪器，通过处理器在第一目标上执行多个第一前视测量和多个第一后视测量，其中，多个第一前视测量和多个第一后视测量在时间上交替；在处理器中基于多个第一前视测量和多个第一后视测量来计算多个第一双面误差；在处理器中至少部分地基于多个第一双面误差来确定至少一个第一稳定性度量值，该至少一个第一稳定性度量值是通过规则定义的值；通过处理器，至少部分地基于至少一个第一稳定性度量值和第一终止准则来确定激光跟踪器是否稳定；以及生成该激光跟踪器是稳定还是不稳定的指示。

另一示例性实施例包括用于确定激光跟踪器何时稳定的方法，该方法包括：利用激光跟踪器，通过处理器在第一目标上以第一前视模式执行多个第一角度测量并且以第一后视模式执行多个第二角度测量，其中，多个第一角度测量和多个第二角度测量在时间上交替；通过处理器，基于多个第一角度测量和多个第二角度测量来计算多个第一角度差异；通过处理器，至少部分地基于多个第一角度差异来确定至少一个第一稳定性度量值，该至少一个第一稳定性度量值是通过规则所定义的值；通过处理器，至少部分地基于该至少一个第一稳定性度量值和第一终止准则来确定激光跟踪器是否稳定；以及生成该激光跟踪器是稳定还是不稳定的指示。

附图说明

下面仅通过示例的方式，参考附图来描述实施例，所述附图是示例性的而非限制性的，并且其中相同的元件被相同的附图标记标识，在附图中：

图1示出了可实现示例性自动预热和稳定性的实施例的激光跟踪器；

图2示出了随时间（任意单位）变化的典型的双面误差（任意单位）的曲线图，其中为了简洁移除了噪声；

图3示出了根据示例性实施例的稳定性方法的流程图；

图4示出了根据示例性实施例的包括参数计算的稳定性方法；

图5-8示出了用于论证图4的方法的、以百分比表示的稳定性度量值随自补偿周期的数目变化的曲线图；

图9示出了激光跟踪器的示例性计算系统；

图10示出了检查激光跟踪器的稳定性的方法的流程图；以及

图11示出了检查激光跟踪器的稳定性的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了激光跟踪器10，在激光跟踪器10中，可实现示例性自动预热和稳定性的实施例。激光跟踪器10将激光束46从激光跟踪器10发送到SMR26，SMR26将激光束48返回跟踪器10。激光束48的光学功率相对激光束46略微减少，但是除此之外几乎与激光束46相同。激光跟踪器10的示例性万向光束调向机构12包括在方位基座16上安装的并且绕方位轴20旋转的天顶架14。有效负荷15安装在天顶架14上并且绕天顶轴18旋转。天顶机械旋转轴18和方位机械旋转轴20在跟踪器10内部垂直相交于通常作为距离测量的原点的万向点22。激光束46实际上通过万向点22并且其指向正交于天顶轴18。换句话说，激光束46的路径在正交于天顶轴18的平面内。通过有效载荷15绕天顶轴18的旋转以及通过天顶架14绕方位轴20的旋转，激光束46指向期望的方向。在跟踪器内部的天顶和方位角度编码器（未示出），连接到天顶机械轴18和方位机械轴20并且以高准确度指示旋转角度。激光束46传播到SMR26，然后返回激光跟踪器10。跟踪器10测量万向点22和回射器26之间的径向距离和关于天顶和方位轴18,20的旋转角度，以寻找回射器26在跟踪器的球坐标系统内的位置。

前视模式被定义为跟踪器操作的常规模式。通过以前视模式开始并且接着进行以下操作来获得后视模式：（1）旋转方位轴180度；（2）旋转天顶轴（其可旋转有效载荷或镜）以具有负的原始天顶角度（其中方位轴20的方向对应于零度的天顶角度）；以及（3）开启跟踪。最后的步骤将使得激光束移动到立方角或镜上的合适位置，使得激光束48折回激光束46的路径。在理想的激光跟踪器中，以前视模式和后视模式测量的回射器或镜目标的角度是相同的。在实际的跟踪器中，这些角度不完全相同，并且该差异是跟踪器的测量质量的指示。双面测量对参数误差特别敏感（将在下文更详细地讨论），并且因此提供了快速评估激光跟踪器的有效测试。

可宽泛地使用术语激光跟踪器来包括激光扫描器装置和传统的激光跟踪器。可以使用激光扫描器来获得双面测量，但是在扫描器中，没有跟踪功能。替代地，扫描器通过以前视模式在多个点处测量漫反射目标（其可能是球）来测量球。执行最佳拟合程序，以便通过应用最佳程序来将球拟合到激光扫描器所收集到的“点云”，来寻找在前视模式中球中心的最佳预测。为了进入后视模式，方位轴被旋转180度并且天顶轴（其可旋转镜）被旋转到负的原始天顶角度（在球坐标系统中，零度的天顶角度对应于“垂直向上”的方向）。扫描器通过应用使球拟合到激光扫描器所收集到的“点云”的最佳程序，来在后视模式中第二次测量漫射目标。最佳拟合程序被执行以寻找在后视模式中球中心的最佳预测。所计算的前视和后视中心之间的差异将被视为双面误差。

在双面测量中，以前视模式获取（x,y,z）值并且以后视模式获取（x,y,z）值。这里x,y,z是在激光跟踪器所处的固定参考系内的坐标。在双面测量中惯常将前视模式和后视模式的径向距离设置成相同的值。结果，前视和后视坐标读数的差异完全沿横向方向。这里横向方向定义为垂直于来自跟踪器的激光束的方向。双面差异，又称为双面误差，是在前视和后视模式中获得的读数之间的横向距离。

双面测量对于指示跟踪器问题特别有效的原因在于，双面测量敏感于激光跟踪器内的许多典型误差模式。在理想的跟踪器中，激光束至少近乎通过跟踪器万向点。在实际跟踪器中，激光束相对于万向点偏移。该偏移产生两个参数TX和TY，它们简单地为在最接近万向点的线处在X和Y方向上的偏移距离。这里X和Y方向关于附图1的有效载荷15而获取（这些不同于关于激光跟踪器所处的固定参考系所获取的x和y方向）。只要这些参数稳定并且被准确地知道，则激光束相对于万向点的偏移将不会导致误差。然而，如果该偏移随温度（例如当跟踪器预热时）而变化，则TX和TY的真实值也变化。双面测量对于TX和TY误差非常敏感。

在理想的跟踪器中，激光束垂直于方位机械轴和天顶机械轴。在实际跟踪器中，激光束略微偏离垂直。在激光束中的这种倾斜产生了两个参数RX和RY，其仅是关于X和Y方向的角度倾斜。只要这些参数是稳定的并且被准确地知道，则激光束关于机械轴的倾斜将不会导致误差。然而，如果该偏移随温度（例如当跟踪器预热时）而变化，则RX和RY的真实值也变化。双面测量对于RX和RY误差非常敏感。

在通过引用并入本文的Cramer等人的美国专利No.7,327,446(’446)中描述了寻找图1中示出的跟踪器类型的参数TX、TY、RX和RY的方法。其他规则可适用于使用其他光束调向方法的激光跟踪器。例如，一些激光跟踪器使用镜来控制激光束，并且这些跟踪器具有不同于图1中示出的跟踪器的参数。然而，双面测试被用来识别问题并且发现所有类型的跟踪器的参数，而不考虑光束调向机构。

双面误差还可反映其他类型的跟踪器误差。例如，双面误差可敏感于在角度编码器中观察到的许多类型的误差。在一些条件下，还敏感于轴的非方正度误差。

如果跟踪器是稳定的，则双面测量可被用作补偿程序的一部分以寻找正确的参数值。如果跟踪器不稳定，则双面测量值中的变异性可被用于识别这种稳定性的缺乏。特定参数值和这些值随时间的变化方式可被用作帮助用户或服务代表寻找可能产生的任何问题的物理原因的诊断工具。这是文中描述的示例性方法有助于检查已经预热的跟踪器和处于预热阶段中的跟踪器的稳定性的原因之一。

下文描述的示例性实施例是快速保证跟踪器持续预热的方法。示例性实施例可包括在可能位于跟踪器上的单个回射器目标上（即，跟踪器上目标，例如，‘446所描述的）或位于跟踪器周围的空间中的任意点处的单个回射器目标上执行重复的双面测量（即，前视和后视测量）。如果该点不位于跟踪器上，则回射器可放置在附加至例如地板、仪器支架或建筑物的槽（nest）中。可以以固定的间隔作出这些测量，该固定的时间间隔可能在时间上相距很近。在进行每一双面测量之后，计算定义为前视模式和后视模式中的三维坐标读数之间的距离差异的双面误差。双面读数用来判定跟踪器是否稳定。下文将讨论执行的方法。

在其他的示例性实施例中，可以用分离平移误差（例如，TX和TY误差）和角度误差（例如，RX和RY误差）的方式增加第二目标。存在分离跟踪器中的平移和角度误差的一些方法。第一方法是将两个不同的回射器目标放置在不同的距离。远的目标比近的目标更敏感于角度误差的效应，但平移误差同等地影响远的和近的目标。由于这个原因，可在以两个不同距离放置的两个回射器目标上作出双面测量。这些测量的读数可被用以分离两种类型的误差。

分离平移和角度误差的第二方式是选择回射器作为第一目标并且选择镜作为第二目标。镜对跟踪器中的角度误差响应最强烈，而回射器对角度和平移误差都有响应。在‘446中详细解释了使用回射器和镜目标来分离平移和角度误差的方法。判定跟踪器何时被预热的准则是基于两个不同目标的双面测量的增量（delta）值。如下面所描述，可以使用多种特定的数学规则来确定跟踪器何时被预热。

在另一示例性实施例中，根据双面测量来计算参数。可仅使用镜目标来收集一些参数（例如，某些类型的跟踪器的RX和RY）。使用两个或更多个回射器或镜目标来收集其他类型的参数（例如，某些其他类型的跟踪器的TX和TY）。相关的参数根据特定的跟踪器而不同。例如，使用调向镜将激光束引出跟踪器的一类跟踪器的参数较之图1中示出的一类跟踪器的参数是不同的。通常，任何类型的跟踪器的任何参数可用在指示跟踪器何时被预热或稳定的数学规则中。

在一个或更多个示例性实施例中，跟踪器10可包括在用户于任何特定时刻开始使用跟踪器的情形下告知用户跟踪器10相对于特定目标点的最大允许误差（maximum permissible error，MPE）的误差的用户界面。MPE是跟踪器制造商公布的规格，其指示根据距离而变化的跟踪器准确度。

图2示出了竖直轴上的双面误差（任意单位）随水平轴上的时间（任意单位）变化的曲线图。该曲线图示出了当跟踪器10预热时，其开始具有初始的双面误差值215。随着其预热，双面误差在瞬态期210快速变化。随时间流逝，跟踪器10进入平稳期220，在平稳期220中双面误差达到平稳值225，其也被成为稳态值。当跟踪器10接近平稳值时，其被认为是稳定的并且准备好被补偿。

图10示出了确定诸如激光跟踪器等仪器是否被预热或稳定的方法1000的第一示例性实施例的流程图。至少需要一个可为回射器、镜或漫反射对象的目标。可以使用可为回射器、镜和漫反射对象的任何组合的另外的目标。该程序包括步骤1010、1020、1030、1040、1050、1060和1070。步骤1010以前视模式对每一目标作出测量。步骤1020以后视模式对每一目标作出测量。前视和后视测量的顺序不重要。步骤1030为每一目标计算双面误差。双面误差值是横向距离并且具有长度单位。步骤1040判定目标是否被第一次测量。如果是，则作出第二组测量，再次从步骤1010开始。如果不是，则程序继续进行到步骤1050，在步骤1050中，计算一个或更多个稳定性度量值。在完成预热测量之前，给出跟踪器可能不稳定的指示。例如，LED可闪烁来指示跟踪器可能不稳定。作为另一个示例，可在计算机监视器上给出诸如“跟踪器被验证为不稳定”等信息。在步骤1060中满足终止准则之后，在步骤1070中给出跟踪器稳定的指示。例如，指示可是持续点亮的LED或在计算机监视器上的“跟踪器稳定”的信息。

对于惯常与球安装回射器（spherically mounted retroreflector,SMR）一起使用的一类激光跟踪器，目标可是回射器或镜。根据这里描述的激光跟踪器的宽泛定义，对于激光扫描器，目标的类型可是漫散射对象。这样的对象例如可以是由漫反射材料制成的大球。激光扫描器可扫描这样的球的表面，收集和分析表面点以寻找球中心。

上述的讨论解释了，双面误差定义为以前视和后视模式测量的三维坐标之间的横向距离。然而，另一种建立激光跟踪器的稳定性的方法是以前视模式和后视模式来测量激光束的角度方向上的差异。除了角度不会根据距离而改变之外，前视和后视模式中激光束的方向上的小角度差异与双面误差相同。对于建立激光跟踪器的稳定性，这两种方法同样优秀。因此，在上述所有的讨论中，双面误差的概念可用前视和后视读数中的角度差异的概念来替换。

稳定性度量值是通过判定跟踪器何时稳定的规则所定义的任何值。稳定性度量值可是基于所测量的双面误差对的简单数字，或其可以是基于根据数学规则组合的多个测量的更复杂的值。下面参考附图4给出后一种情形的示例，即基于多个参数和制造商的规格的相对复杂的值。稳定性度量值可依赖过去的一系列测量值（例如，移动平均或一些其他类型的滤波值）或简单地依赖近期所收集的测量值。步骤1060判定稳定性度量值是否已满足终止准则。可能存在单一的终止准则，或可能存在多个终止准则。如果存在多个终止准则，则对于每一准则存在相应的稳定性度量值，尽管一些准则可在没有发现双面误差的情况下获得。例如，一个准则可以是，跟踪器双面误差满足制造商的MPE规格。这可以结合与双面误差在时间上的稳定性有关的第二准则一起使用。如果给出多个终止准则，则被视为稳定的跟踪器的相应稳定性度量值必须满足这些准则中的每一个。如果稳定性度量值满足终止准则，则跟踪器被认为是稳定的或被预热，并且可执行下一个步骤。下一个步骤通常是在跟踪器上执行补偿程序或使用跟踪器开始作出测量。

稳定性度量值的最简单类型可能是前述的两个双面误差的增量（差异）的绝对值。这种情形下的阈值条件可简单地是给定的数字值。如果稳定性度量值小于该阈值，则跟踪器被认为是稳定的。否则其被认为是不稳定的，并且继续进行双面测量。参考图2，我们看到，最初双面误差快速变化，这表示双面值的增量（差异）很大。因此小的增量值表示稳定的跟踪器。通常一个复杂的因素是图2示出的双面误差除示出大体趋势的平滑曲线之外还具有一些噪声。在这种情形下，基于单个增量值建立稳定性可能不能提供对跟踪器完全稳定的充分保证。

图10的方法1000的步骤可以方便地用文字而非流程图的形式来描述。为了计算稳定性度量值，至少需两个双面误差。因此，存在多个后视测量、前视测量和双面误差计算，并且存在至少一个稳定性度量值。交替进行前视和后视测量。如果不满足终止准则，在该跟踪器被认为稳定之前可能需要重复任何数目的双面测量。

上面的讨论解释了，双面误差被定义为在前视和后视模式中测量的坐标之间的横向距离。然而，另一种建立激光跟踪器的稳定性的方法是以前视和后视模式测量激光束的角度方向上的差异。在前视和后视模式中激光束方向上的小角度差异本质上等价于双面误差，除了角度不会根据距离而改变。对于建立激光跟踪器的稳定性，这两种方法同样优秀。因此，在上述所有的讨论中，双面误差的概念可用前视和后视读数中的角度差异的概念来代替。

图11示出了确定诸如激光跟踪器等仪器是否被预热或稳定的方法1100的第一示例性实施例的流程图。至少需要一个可能是回射器、镜或漫反射对象的目标。可以使用可以是回射器、镜和漫反射对象的任意组合的另外目标。该程序包括步骤1110、1120、1130、1140、1150、1160和1170。步骤1110在前视模式中对每一目标作出角度测量。步骤1120在后视模式中对每一目标作出角度测量。进行前视和后视测量的顺序不重要。步骤1130计算每一目标的角度差异。这里可理解，术语角度差异与前视和后视模式中激光束的最终指向方向有关。因此，例如，在前视和后视模式中方位角大约有180度的差异，并且天顶角在前视和后视模式中也不同。然而，在已经完成方位和天顶旋转之后，激光束在前视和后视模式中指向几乎相同的方向。因此这两个方向之间的角度差异是小值。步骤1140判定目标是否被第一次测量。如果是，则作出第二组测量，再次从步骤1110开始。如果不是，则该程序继续进行到步骤1150，在步骤1150中计算一个或更多个稳定性度量值。在完成预热测试之前，给出跟踪器可能不稳定的指示。例如，LED可闪烁以指示跟踪器可能不稳定。作为另一个示例，可在计算机监视器上给出诸如“跟踪器验证为不稳定”等的信息。在步骤1160中满足终止准则之后，在步骤1170中给出跟踪器是稳定的指示。例如，该指示可是持续点亮的LED或计算机监视器上的“跟踪器稳定”信息。

图3示出了用于确定诸如激光跟踪器等仪器是否被预热或稳定的方法300的第二示例性实施例的流程图。方法300包括步骤310、320、330、340和350。步骤310在至少两个可能是回射器或镜目标的目标上作出双面测量。可选择地，步骤310还可包括除双面测量之外的测量。步骤320计算仪器补偿参数，该仪器补偿参数通常是参数的子集而非仪器参数的全部集。在步骤310中执行的测量为计算仪器的至少一些参数提供了充足信息。步骤330检查步骤310的测量是否被第一次执行。如果是，则从步骤310开始再次执行。如果不是，则执行步骤340以计算稳定性度量值。步骤350检查稳定性度量值是否小于阈值。如果是，则认为该仪器是稳定的或被预热。否则，反复重复从步骤310开始的另外的测量和计算。

结合图3所描述的方法300是大体方法，下面将描述该方法的其他示例性实施例。

图4示出了根据示例性实施例的方法400。方法400包括步骤410、420、430、440和450。步骤410执行补偿程序。对于图1中示出的并且在‘446中更全面描述的示例性激光跟踪器，常规的补偿程序是自补偿程序。在自补偿程序中，在完全自动的跟踪器程序中使用在跟踪器上的两个目标、在跟踪器上的回射器和在跟踪器上的镜以寻找跟踪器参数。该程序执行大概4-5分钟。可同样很好地使用其他的补偿程序。步骤420计算跟踪器参数TX、TY、RX和RY。自补偿程序获取这些跟踪器参数等。步骤430检查补偿程序是否是第一次执行。如果是，则第二次执行该补偿程序，并且再次计算参数值。如果不是，则执行步骤440以寻找稳定性度量值S。下面将给出计算稳定性度量值S的方法的更多细节。步骤450检查该稳定性度量值是否已经满足终止准则。如果是，则认为跟踪器是稳定的，并且方法400结束。其后，开始跟踪器补偿或者跟踪器开始进行测量。对于下面讨论的特定示例性实施例，稳定性度量值可从0变化到1（即0到100%），其中0表示最不稳定的跟踪器，而1表示最稳定的跟踪器。作为示例，可以选择0.9（即90%）的终止准则。如果稳定性度量值大于或等于0.9，则可认为跟踪器是稳定的。

在实施例中，通过执行以下步骤来计算稳定性度量值S。计算运动学模型参数RX、RY、TX、TY中的改变：

ΔRX＝RX_new-RX_old，ΔRY＝RY_new-RY_old，

ΔTX＝TX_new-TX_old，ΔTY＝TY_new-TY_old      (1)

这里下标“new”（新）涉及最近测量中计算的参数，并且下标“old”（旧）涉及在最近测量之前的测量中所计算的参数。

计算运动学模型参数中x和y分量变化时的和的平方根（Root-sum-squared,rss）值、△R、△T：

$\mathrm{\ΔR}=\sqrt{\mathrm{\Δ}{\mathrm{RX}}^2+{\mathrm{\ΔRY}}^2},\mathrm{\ΔT}=\sqrt{{\mathrm{\ΔTX}}^2+{\mathrm{\ΔTY}}^2}---\left(2\right)$

基于制造商公布的规格值A和B来找出仪器的作为距离d的函数的标准横向不确定性U_std：

U_std(d)＝A+B·d      （3）

基于从等式（2）获得的计算值△R和△T来找出相关于参数的稳定性的横向不确定性U_prm:

U_prm(d)＝ΔT+ΔR·d      (4)

合并根据等式（3）和（4）的不确定性值U_std和U_prm来获取和的平方根值U_adj:

$U_{\mathrm{adj}}\left(d\right)=\sqrt{{U_{\mathrm{std}}}^2\left(d\right)+{U_{\mathrm{prm}}}^2\left(d\right)}---\left(5\right)$

距离相关稳定性比率s=s(d)定义为：

$s\left(d\right)=\frac{U_{\mathrm{std}}\left(d\right)}{U_{\mathrm{adj}}\left(d\right)}---\left(6\right)$

稳定性度量值S被定义为稳定性比率在跟踪器的可能的距离上的最小值，该可能的距离从d_min到d_max：

S＝Min(s(d))      （7）

如等式（7）中的定义，S是位于区间[0,1]中的无量纲的数字。在跟踪器10被加电之后，温度和运动学参数可快速变化，导致S值相对低。稍后，当温度接近平衡并且模型参数更缓慢地变化时，S接近1。当S超过指定的容许量时，自补偿循环终止。典型的容许量是0.9。上面描述的方法不一定是等式（3）中所给出的A和B的线性函数，而且可容易地推广到其他示例性实施例中。例如，如果制造商的性能规格是距离的非线性函数，则仅改变上面的等式（3）。图3和图4的实施例的优点是当自动预热已经完成时，跟踪器10不仅被预热而且被补偿。如果使用上面描述的自补偿方法，则这个方法特别方便，因为这需要的用户关注最少。用户只需要在进行测量之前运行快速测试以验证该仪器的准确度。

图5-8示出了用于说明方法400的稳定性度量值随自补偿周期的数目而变化的曲线图500、600、700、800。图5-7示出了从冷条件下启动的跟踪器，并且图8示出了热量已经平衡的跟踪器。图5-8示出了约五个补偿周期上出现的预热时间（即，大约25分钟）。可理解图5-8仅示出了示例并且说明了方法400。在其他的示例性实施例中，可具有其他数目的补偿周期。因此，图5-8示出了当达到热平衡时，曲线图500、600、700、800表现出方法400所支持的平稳行为。

在另一示例性实施例中，自测试补偿方法执行自动测量并且计算参数。这些测量所使用的目标包括在跟踪器安装的回射器和在跟踪器安装的镜。评估终止准则的算法被称为符号改变算法（sign change algorithm,SC）。在SC中，当正被讨论的参数已经稳定时，其值的随机振荡相对于由于预热引起的任何系统行为而开始变得重要，所述随机振荡本质趋于单调。SC计算从该周期至下一周期的每一参数增量。每当增量变换符号时，相关参数的计数器递增。当每一参数已经历N次符号变化时，循环终止。其中N是预先指定的大于或等于1的整数。N可以由用户或跟踪器制造商指定。通过分别减少或增加N来有效地松弛或收紧终止准则。SC实施例的优点是当自动启动已经完成时，由于跟踪器基于自补偿方法，因此跟踪器不仅被预热而且还被补偿。

上述方法可手动地实现，或可借助于位于跟踪器内部的计算系统或在连接到跟踪器的外部计算机系统中的计算系统来实现。基于使用内置或外置于跟踪器的计算系统的方法因节约操作时间，从而都是有利的。

图9中示出了示例性的计算系统（处理系统）1500。处理系统1500包括跟踪器处理单元1510和可选的计算机80。处理单元1510包括至少一个可以是微型处理器的处理器、数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）或类似的装置。可提供处理信息和向内部的跟踪器处理器发布命令的处理能力。这样的处理器可包括位置检测器处理器1512、方位编码器处理器1514、天顶编码器处理器1516、指示灯处理器1518、绝对测距计（Absolute Distance Meter，ADM）处理器400、干涉计（Interferometer，IFM）处理器1522和像机处理器1524。辅助单元处理器1570可选地向跟踪器处理器单元1510内的其他处理器提供定时和微处理器支持。优选地，辅助单元处理器1570通过装置总线1530与其他处理器通信，如本领域所公知的，装置总线1530可通过数据包遍及跟踪器来传输信息。可遍及跟踪器处理单元1510来分配计算能力，其中DSP和FPGA对跟踪器传感器收集的数据执行中间计算。这些中间计算的结果返回到辅助单元处理器1570。辅助单元1570可通过长线缆连接到激光跟踪器10的主体，或其可在激光跟踪器的主体内卸下以使该跟踪器直接（并且可选地）连接到计算机80。辅助单元1570可通过连接1540连接到计算机80，连接1540优选地是以太网线缆或无线连接。辅助单元1570和计算机80可通过连接1542、1544连接到网络上，连接1542、1544可是以太网线缆或无线连接。在这里的示例性实施例中描述的稳定性计算可使用处理单元1500内的处理器（微处理器、DSP或FPGA）或使用可选的计算机80的处理器。

本领域的技术人员将理解本发明的方面可作为系统、方法或计算机程序产品来实施。因此，本发明的方面可采取完全的硬件实施例、完全的软件实施例（包括固件、常驻软件、微代码等）或这里全部通称为“电路”，“模块”或“系统”的、合并软件和硬件方面的实施例。此外，本发明的方面可采取以一个或更多个计算机可读介质实施的计算机程序产品的形式，所述一个或更多个计算机可读介质上包含有计算机可读程序代码。

可利用一个或更多个计算机可读介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是，但不限于电子，例如电子、磁，光、电磁、红外或半导体系统、装置或设备或前述的任何适当组合。计算机可读存储介质的更具体示例（非穷举性列举）将包括下列：具有一个或更多根导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除的可编程只读存储器（EPROM或闪存）、光纤，便携式光盘只读存储器（CD-ROM）、光学存储装置、磁存储装置或前述的任何适当组合。在本文档的上下文中，计算机可读存储介质可以是任何有形介质，该有形介质可包括或存储由指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备有关的程序。

计算机可读信号介质可包括包含有计算机可读程序代码（例如在基带中或作为载波的一部分）的传播数据信号。这样的传播信号可采取多种形式中的任一种，所述多种形式包括但不限于电磁、光学或其任何适当的组合。计算机可读信号介质可以是非计算机可读存储介质的并且可通信、传播或传输由指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备有关的程序的任何计算机可读介质。

可使用任何合适的介质（其包括但不限于无线、有线线路、光纤线缆，射频（RF）等，或前述的任何适当组合）来传输计算机可读介质上包含的程序代码。

执行本发明的方面的操作的计算机程序代码可以一种或更多种编程语言（包括诸如Java、Smalltalk、C++等面向对象编程语言或诸如“C”编程语言或类似的编程语言等传统程序编程语言）的任意组合来书写。程序代码作为单机版软件包可完全在用户计算机上执行，部分在用户计算机上执行，部分在用户计算机上并且部分在远程计算机上执行或完全在远程计算机或服务器上执行。在后面的情景中，远程计算机可通过包括局域网（LAN）或广域网（WAN）的任何类型的网络来连接至用户计算机，或可以连接到外部计算机（例如，通过利用因特网服务提供商的因特网）。

下面参考根据本发明的实施例的方法、装置（系统）和计算机程序产品的流程图图解和/或框图来描述本发明的方面。将理解，流程图图解和/或框图的每一方块以及流程图图解和/或框图的方块的组合可由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可被提供给通用计算机、专用计算机或其他的可编程数据处理装置的处理器以生产机器，使得通过计算机或其他可编程的数据处理装置的处理器所运行的指令创建实现流程图和/或框图的方块中所指定的功能/行为的装置。

这些计算机程序指令也可被存储在计算机可读介质中，该计算机可读介质引导计算机、其他可编程数据处理设备或其他装置来以特定的方式运行，使得计算机可读介质中所存储的指令生成包括实现流程图和/或框图中的方块所指定的功能/行为的指令的制成品。

计算机程序指令还可被装载到计算机、其他可编程数据处理设备或其他装置上以使得一系列操作步骤在计算机、其他可编程设备或其他装置上执行，以产生计算机实现的过程，使得在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现流程图和/或框图的方块中所指定的功能/行为的处理。

附图中的流程图和框图示出了根据本发明的各个实施例的系统、方法和计算机程序产品的结构、功能和可能实现的操作。基于这种考虑，流程图或框图中的每一方块可表示代码的模块、片段或部分，其包括了实现指定的逻辑功能的一个或更多个可执行指令。还应该注意到在一些替代实施例中，方块中标注的功能可以不为图中标注的顺序。例如，连续示出的两个方块事实上可基本同时地执行，或有时这些方块根据包含的功能可以相反的顺序执行。还将注意到，框图和/或流程图图解中的每一方块以及框图和/或流程图图解中的方块组合可通过执行特定的功能或行为的基于专用硬件的系统或专用硬件和计算机指令的组合来实现。

在示例性实施例中，以硬件实现自动预热方法，使用以下本领域公知技术的任一种或其组合可实现这里描述的自动预热方法：具有根据数据信号实现逻辑功能的逻辑门的离散逻辑电路、具有适当的组合逻辑门的专用集成电路（application specific integrated circuit,ASIC）、可编程的门阵列（PGA）、FPGAs、DSPs等。

虽然以上描述涉及本发明的特定实施例时，将理解在不偏离本发明主旨的情况下，可作出许多变型。所附的权利要求意在覆盖将落入本发明的真实范围和主旨的变型。

因此，目前所公开的实施例被认为在所有方面都是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书而非前面的说明来指示，从而本发明将囊括落在权利要求书的等同方案的意义和范围内的所有变型。

Claims (17)

1.一种确定激光跟踪器何时被预热到足以视为稳定的方法，该方法包括：

在时间上顺序地获取多个第一双面误差，所述多个第一双面误差中的每一个在处理器的控制下通过下述操作来获取：将来自所述激光跟踪器的光束指向第一目标，在所述激光跟踪器的前视模式下测量所述第一目标以便获取第一前视读数，在所述激光跟踪器的后视模式下将来自所述激光跟踪器的光束指向所述第一目标以便获取第一后视读数，通过计算所述第一前视读数与所述第一后视读数之间的横向距离来确定所述第一双面误差；

通过所述处理器至少部分地基于所述多个第一双面误差来确定第一稳定性度量值，所述第一稳定性度量值是所述激光跟踪器接近热平衡的程度的度量；以及

至少部分地基于所述第一稳定性度量值和第一终止准则来生成所述激光跟踪器是稳定还是不稳定的指示。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在时间上顺序地获取多个第二双面误差，所述多个第二双面误差中的每一个在处理器的控制下通过下述操作来获取：将来自所述激光跟踪器的光束指向第二目标，在所述激光跟踪器的前视模式下测量所述第二目标以获取第二前视读数，在所述激光跟踪器的后视模式下将来自所述激光跟踪器的光束指向所述第二目标以获取第二后视读数，通过计算所述第二前视读数与所述第二后视读数之间的横向距离来确定所述第二双面误差；

通过所述处理器至少部分地基于所述多个第二双面误差来确定第二稳定性度量值，所述第二稳定性度量值是所述激光跟踪器接近热平衡的程度的度量；以及

在生成所述激光跟踪器是稳定还是不稳定的指示的步骤中，使该生成至少部分地基于所述第二稳定性度量值和第二终止准则。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：选择回射器作为所述第一目标。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：选择镜作为所述第一目标。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：将所述第一目标安装到所述激光跟踪器上。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：至少部分地基于所述多个第一双面误差、与所述多个第一双面误差相关的平稳值、所述第一稳定性度量值和与所述第一稳定性度量值相关的指定容许量来计算多个补偿参数，其中，所述第一稳定性度量值还至少部分地基于所述多个补偿参数。

7.根据权利要求2所述的方法，还包括：选择回射器作为所述第一目标，并且选择镜作为所述第二目标。

8.根据权利要求2所述的方法，还包括：选择回射器作为所述第一目标，并且选择回射器作为所述第二目标。

9.根据权利要求2所述的方法，还包括：通过所述处理器，至少部分地基于所述多个第二双面误差、与所述多个第二双面误差相关的平稳值、第二稳定性度量值和与所述第二稳定性度量值相关的指定容许量来计算多个补偿参数，其中所述第二稳定性度量值至少部分地基于所述多个补偿参数。

10.根据权利要求2所述的方法，还包括：在所述激光跟踪器上安装所述第一目标和所述第二目标。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，生成指示的步骤至少部分地基于制造商的激光跟踪器的规格。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述第一稳定性度量值取决于所述激光跟踪器所测量的一系列值。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述第一稳定性度量值的步骤至少部分地基于两个前述的第一双面误差的差的绝对值。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个第一前视读数中的每一个基于由所述激光跟踪器所收集的点云，并且所述多个第一后视读数中的每一个基于由所述激光跟踪器所收集的点云。

15.一种确定激光跟踪器何时被预热到足以视为稳定的方法，该方法包括：

通过处理器在时间上顺序地获取多个第一角度差异，所述多个第一角度差异中的每一个在处理器的控制下通过下述步骤来获取：将来自所述激光跟踪器的光束指向第一目标，在所述激光跟踪器的前视模式下测量到所述第一目标的第一角度，在所述激光跟踪器的后视模式下将来自所述激光跟踪器的光束指向所述第一目标，在所述激光跟踪器的后视模式下测量到所述第一目标的第二角度，至少部分地基于所述第一角度和所述第二角度来确定第一角度差异；

通过所述处理器，至少部分地基于所述多个第一角度差异来确定第一稳定性度量值，所述第一稳定性度量值是所述激光跟踪器接近热平衡的程度的度量；以及

至少部分地基于所述第一稳定性度量值和第一终止准则来生成所述激光跟踪器是稳定还是不稳定的指示。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

在时间上顺序地获取多个第二角度差异，所述多个第二角度差异中的每一个在处理器的控制下通过下述操作来获取：将来自所述激光跟踪器的光束指向第二目标，在所述激光跟踪器的前视模式下测量到所述第二目标的第三角度，在所述激光跟踪器的后视模式下将来自所述激光跟踪器的光束指向所述第二目标，在所述激光跟踪器的后视模式下测量到第二目标的第四角度，至少部分地基于所述第三角度和所述第四角度来确定第二角度差异；

通过处理器至少部分地基于所述多个第二角度差异来确定第二稳定性度量值，所述第二稳定性度量值是所述激光跟踪器接近热平衡的程度的度量；以及

在生成所述激光跟踪器是稳定还是不稳定的指示的步骤中，使该生成至少部分地基于所述第二稳定性度量值和第二终止准则。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述多个第一角度测量中的每一个基于由所述激光跟踪器所收集的点云，并且所述多个第二角度测量中的每一个基于由所述激光跟踪器所收集的点云。