CN109931574B - 确定移动头灯具的姿态的方法 - Google Patents

Abstract

一种确定移动头灯具的姿态的方法，所述移动头灯具包括支撑结构和可旋转地连接到所述支撑结构的可旋转结构。所述可旋转结构包括生成光束的至少一个光源和指示位置指示器的位置的所述位置指示器。所述方法包括通过旋转所述可旋转结构将所述位置指示器布置在围绕所述旋转轴的至少三个不同位置处的步骤；以及获得在所述至少三个不同位置中的每一个处的所述位置指示器的所述位置的步骤。能够基于所述获得位置获得所述移动头灯具的所述姿态。

Description

确定移动头灯具的姿态的方法

发明领域

本发明涉及用于确定移动头灯具的姿态的方法和系统，其中该姿态指示移动头灯具在3D空间中的位置和取向。

背景技术

众所周知，在设置实际灯光秀之前，使用各种模拟和可视化软件对灯光秀进行规划和编程。这种软件工具可用于规划灯桁架、灯具、视频产品等的设置，并且使用3D环境中产品性能、位置和取向的信息在3D环境中对灯光秀预编程。在灯光秀的虚拟规划和编程之后，需要在现实生活中设置灯桁架、灯具、视频产品等，并且难以将各种产品布置在与软件中规划的完全相同的位置。因此，在灯光设备的现实安装之后，执行灯光编程的手动调节，以便解决产品的实际位置与产品的虚拟位置之间的不匹配。这是非常耗时的，特别是在巡回演出中，舞台几乎每天都在不同地点拍摄和设置。

发明内容

本发明的目的是解决与现有技术相关的上述限制。这通过独立权利要求描述的方法和系统来实现。从属权利要求描述了本发明的可能实施例。在本发明的详细描述中描述了本发明的优点和益处。

附图说明

图1示出了移动头灯具的结构图；

图2示出了确定移动头灯具的姿态的方法的流程图；

图3示出了确定移动头灯具的姿态的另一种方法的流程图；

图4示出了示出基于根据图3的方法获得的位置确定姿态的步骤的向量图；

图5示出了示出基于根据图3的方法获得的位置确定姿态的另一步骤的向量图；

图6示出了确定移动头灯具的姿态的另一种方法的流程图；

图7示出了示出基于根据图6的方法获得的位置确定姿态的步骤的向量图；

图8示出了包括两个位置指示器的移动头灯具的结构图；

图9示出了确定包括两个位置指示器的移动头灯具的姿态的方法的流程图；

图10示出了示出基于根据图9的方法获得的位置确定姿态的步骤的向量图；

图11示出了包括布置在头部的位置指示器的移动头灯具的结构图；

图12示出了确定包括布置在头部的位置指示器的移动头灯具的姿态的方法的流程图；

图13示出了示出基于根据图12的方法获得的位置确定姿态的步骤的向量图。

具体实施方式

考虑到仅用于示出本发明原理的示例性实施例来描述本发明。技术人员将能够提供权利要求范围内的若干实施例。在整个说明书中，提供相似效果的类似元件的参考数字被赋予相同的最后两位数字。在同一图中提供类似效果的其他类似元件可以被提供诸如字母或其他符号的附加字符。

图1示出了根据本发明的一个方面的灯具101的结构图。灯具包括支撑结构和可旋转地连接到支撑结构的可旋转结构。可旋转结构可旋转地连接到支撑结构并且可围绕旋转轴旋转。

在所示的实施例中，支撑结构设置为基部103，并且可旋转结构设置为轭105，其中轭可相对于基部围绕轭轴107旋转，如轭旋转箭头109所示。另外，轭包括头部111，所述头部可旋转地连接到轭并且可相对于轭围绕头部轴113旋转，如头部旋转箭头115所示。

可旋转结构包括生成光束117(以虚线示出)的至少一个光源(未示出)。光源布置在头部内部，并且光束通过发射窗口119离开头部。光源可以是任何种类的光源，例如白炽灯、放电灯、等离子灯、LED(发光二极管)、OLED(有机LED)、PLED(聚合物LED)或其组合。发射窗口被示出为被配置成使光束偏转的光学透镜，然而注意到发光窗口可以设置为允许光束117传播通过头部壳体的任何部件(诸如光学透镜、透明区域)或者作为壳体的开口。另外注意到，光源也可以布置在可旋转结构/头部的外表面处。至少一个致动器(未示出)适于围绕旋转轴旋转可旋转结构。例如，轭致动器可以被配置成围绕轭轴旋转轭，并且头部致动器可以被配置成围绕头部旋转轴旋转头部，如娱乐照明领域中已知的。

移动头灯具包括控制器121，所述控制器基于多个控制参数控制移动头灯具中的部件(其他子系统)，诸如光效参数、位置参数以及与移动头灯具相关的其他参数。光效参数涉及光束应当生成的光效果，并且可以例如涉及颜色、调光水平、棱镜效应、遮光效应、虹膜效应、动画效应等。注意到，还未示出生成这些光效应的最终部件。位置参数可以涉及头部相对于轭的位置和/或轭相对于基部的位置。控制参数可以例如存储在光移动头灯具的存储器(未示出)中或者通过输入信号123接收。输入信号可以设置为包括不同控制参数的单独信号(未示出)，并且可以设置为有线信号或无线信号。灯具可以包括通信装置，使得移动头灯具能够与其他装置(诸如其他灯具或灯控制器)通信。移动头灯具可以包括用户输入装置(未示出)，使得用户能够直接与移动头部交互而不是与灯控制器交互以与移动头部通信。用户输入装置例如可以是按钮、操纵杆、触摸板、键盘、鼠标等。用户输入装置也可以由显示器支撑，使得用户能够使用用户输入装置通过显示器上显示的菜单系统与移动头灯具交互。在一个实施例中，显示装置和用户输入装置也可以集成为触摸屏。

移动头灯具包括第一位置指示器125，其布置在可旋转结构处并且在沿着且偏离旋转轴的第一位置处。第一位置指示器指示第一位置指示器相对于参考点127的位置。位置指示器可以是能够指示位置指示器相对于参考点的位置的任何装置。位置指示器可以例如基于全球导航卫星系统(GNSS)，诸如GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou等；Wi-Fi定位系统(WPS)、基于蓝牙的定位系统；基于射频的定位系统、声音/超声定位系统、基于光的定位系统、基于加速度计的定位系统、基于陀螺仪的定位系统或其组合。位置指示器可以例如指示其相对于参考点127的位置例如在由x、y、z轴形成的3D坐标系中的坐标。

在所示实施例中，第一位置指示器125布置在轭105的外表面处，在偏离轭轴107和处于头部轴113的位置处。位置指示器布置成偏离轭轴距离r。

可以使用下面描述的方法获得移动头灯具相对于参考点的姿态。例如，通过配置控制器121以基于下面描述的方法确定移动头灯具的姿态。移动头灯具还可以形成控制/定位系统的一部分，该控制/定位系统被配置成确定灯具的姿态，其中例如中央控制器被配置成控制移动头灯具以便将位置指示器布置在不同位置并且获得在这些位置处的位置指示器的位置。

图2示出了确定移动头灯具的姿态的方法的一个实施例的流程图，其中移动头灯具包括支撑结构和可旋转地连接到支撑结构的可旋转结构，使得可旋转结构可围绕旋转轴旋转。可旋转结构包括生成光束的至少一个光源。

该方法包括以下步骤：

·步骤230：在可旋转结构处和偏离旋转轴的第一位置处提供第一位置指示器；

·步骤240：将位置指示器布置在围绕光轴的至少三个不同位置处，并且获得在至少三个不同位置中的每一个处的位置指示器的位置，其中，在步骤241中通过使用位置指示器获得位置指示器的位置，并且其中在步骤242中通过使可旋转结构围绕旋转轴旋转，将位置指示器布置在至少三个不同位置处；

·步骤250：基于所述第一位置指示器的所述获得的位置，确定所述移动头灯具的姿态。

该方法在下面描述为用于确定图1中所示的移动头灯具101的姿态的方法。

可以通过将位置指示器布置在可旋转结构处在其被布置成与旋转轴相距一定距离的位置处来执行在可旋转结构处和沿着且偏离旋转轴的第一位置处提供第一位置指示器的步骤230。位置指示器可以布置在可旋转结构的任何位置处，该位置偏离旋转轴，导致位置指示器在可旋转结构旋转时将围绕旋转轴旋转的事实。位置指示器例如可以设置为可旋转结构的组成部分，设置在可旋转结构内部，设置在可旋转结构的外表面处或可旋转结构的任何其他位置处。在图1所示的移动头灯具101处，通过在偏离轭轴107的位置处将位置指示器125布置在轭105处将位置指示器125提供在可旋转结构处。在图1中，位置指示器布置成与旋转轴相距一距离r，并且在轭旋转时将围绕轭轴旋转。

将位置指示器布置在围绕旋转轴的至少三个不同位置处并且获得在至少三个不同位置中的每一个处的位置指示器的位置的步骤240可以通过重复步骤241和242直到获得位置指示器在围绕旋转轴的至少三个不同位置处的位置指示器的位置来执行。

获得位置指示器125的位置的步骤241可以通过使用位置指示器来指示其相对于参考点127的位置并将指示的位置存储在存储器222中来执行。位置指示器的位置可以存储为能够指示位置指示器的位置的任何数据集。例如，作为相对于参考点的x、y、z坐标。在获得位置指示器的位置并将其存储在存储器中之后，计数器n增加1。计数器n因此指示获得的位置的数量。

在步骤243中，测试计数器n是否至少为三。注意，该方法可以设置为需要获得位置指示器在多于三个位置处的位置。因此，n可以是等于或大于3的任何数。例如，所获得的位置的数量可以增加，以便提高所确定的移动头灯具的姿态的精度。

在尚未达到要求获得的位置的数量n的情况下(通过拇指向下示出)，可旋转结构将在步骤242中旋转，以便将位置指示器布置在与获得位置的先前位置不同的位置。之后，重复获得并存储位置指示器的位置的步骤241，并且获得新位置的位置并将其存储在存储器中。

当已经达到要求获得的位置的数量n时(通过拇指向上示出)，已经获得对应数量的位置(大于3)并将其存储在存储器222中。获得的位置p₁、p₂、p₃……p_n可以例如存储为一些坐标p₁[x₁，y₁，z₁]、p₂[x₂，y₂，z₂]、p₃[x₃，y₃，z₃]……p_n[x_n，y_n，z_n]，其中x_n指示位置的x坐标，y_n指示位置的y坐标，并且z_n指示位置的z坐标。

随后在步骤250中基于位置指示器的获得位置确定移动头灯具的姿态。在以下描述部分中将更详细地描述步骤250的各种实施例。步骤250的输出是移动头灯具的姿态的指示，其中姿态指示移动头灯具相对于参考点127的位置p_灯具以及移动头灯具相对于参考点的取向

位置p_灯具可以是移动头灯具的任何点，例如支撑结构处的点、旋转结构处的点或相对于移动头灯具限定的虚拟点。例如，移动头灯具的位置可以指示为相对于参考点的x、y、z坐标p_灯具[x_灯具，y_灯具，z_灯具]。

移动头灯具的取向可以例如由取向向量

指示，限定移动头灯具的一部分的取向方向，例如支撑结构和/或可旋转结构的取向。取向还可以指示旋转轴相对于参考点的方向。在一些应用中，一个取向向量

可以足以限定移动头灯具的取向，然而在许多应用中，还需要知道移动头灯具相对于取向向量的角取向。例如，与其中可旋转结构被设置为承载如图1所述的头部的轭的移动头灯具结合，可能需要限定移动头灯具相对于轭轴的角取向。因此，步骤250可以包括确定角取向向量

该方法使得可以以简单、有效且可靠的方式获得移动头灯具的姿态。一旦获得了移动头灯具的姿态，就可以将其传送到控制灯光秀的灯光编程软件，并且可以基于移动头灯具的姿态调整灯光编程。因此，可以基于移动头灯具的获得的姿态自动执行为了解决产品的实际位置与3D可视化软件中的移动头灯具的虚拟位置之间的不匹配而经常执行的灯光编程的手动调整。例如，可以基于该方法确定大型照明设置中的所有移动头灯具的姿态，并随后可以非常快速地执行灯光编程的调整。另外，在其中移动头灯具被配置成自动跟随表演者的自动跟踪系统中，自动确定移动头灯具的姿态使得可以快得多地校准和设置此类自动跟踪系统。

图3示出了根据本发明的方法的实施例，其中旋转可旋转结构的步骤242包括使可旋转结构沿预定旋转方向旋转的步骤344。结果是，获得的位置可以被获得为沿着围绕旋转轴的圆形路径的多个构造位置。在该实施例中，确定移动头灯具的姿态的步骤250除了位置指示器的获得位置之外，还基于预定旋转方向和从旋转轴到定位指示器的距离r获得。步骤250包括获得灯具的位置的步骤351、获得灯具的取向的步骤352和获得灯具的角取向的步骤353。灯具的位置指示灯具相对于参考点127的位置，灯具的取向指示旋转轴的取向，并且灯具的角取向指示灯具相对于旋转轴的角取向。

在实施例中描述了图3的方法，其中获得在三个位置处的位置指示器的位置，因此计数器n等于3。因此，在步骤240中获得三个获得的位置p₁、p₂和p₃。获得的位置p₁、p₂、p₃以及从光轴到位置指示器的距离r因此被输入到获得移动头灯具的姿态的步骤250。参考图4描述图3中的方法的步骤250的原理。

图4示出了示出获得的位置p₁、p₂和p₃相对于参考点127的位置的透视向量图。轭轴107和头部轴113的位置在向量图中示出，并且虚线圆471示出当轭相对于基部旋转时位置指示器的圆形路径。箭头473指示旋转方向。位置指示器已布置在与头部轴113相同的高度处，并因此虚线圆在头部轴和轭轴两者处具有中心。在所示实施例中，移动头灯具的位置被认为布置在轭轴和头部轴之间的交叉处，并且圆471的中心布置在这个交叉处。

可以通过从参考点(原点)开始的多个位置向量来限定位置：

方程式1：

方程式2：

方程式3：

方程式4：

其中向量

限定第一获得的位置，向量

限定第二获得的位置；向量

限定第三获得的位置并且向量

限定移动头灯具的位置。

此外，可以从移动头灯具的位置p_灯具到获得的位置p₁、p₂和p₃中的每一个限定半径向量，并且这些半径向量可以被发现为：

方程式5：

方程式6：

方程式7：

每个半径向量的长度等于r，并因此可以设置以下方程式：

方程式8：

方程式9：

方程式10：

的坐标

可以通过求解关于x_灯具、y_灯具、和z_灯具的这三个方程式来找到。

因此，在步骤351中，可以使用方程式8至方程式10找到移动头灯具的位置p_灯具[x_灯具,y_灯具,z_灯具]。

为了找到移动头灯具的姿态，在步骤352中获得移动头灯具的取向。取向可以被发现为取向向量

限定移动头灯具的取向。

取向向量

可以被发现为半径向量

和

之间的叉积。在该实例中，执行使可旋转结构沿预定方向旋转的步骤344，使得可旋转结构在两个所获得的位置之间旋转小于180度。半径向量需要叉积以获得取向向量的顺序因此由以下限定：旋转方向；获得所获得位置p₁、p₂和p₃的顺序；以及可旋转结构在两个缩减获得的位置之间旋转小于180度的事实。因此，两个构造半径向量之间的角度小于180度并且它们都布置在由圆471形成的平面中，并且两个构造半径向量之间的叉积因此产生垂直于圆的平面的取向向量。取向向量的方向由找到叉积的顺序限定，并且使用右手定则使得可以获得叉积相对于由圆形成的平面的方向。在所示实施例中，半径向量

与

之间的叉积将具有相对于圆的平面向上指向的方向，并且这同样适用于

与

之间的叉积。

取向向量

可以因此被发现为方程式11

替代地，另一取向向量

可以被发现为方程式12

取向向量

和

是平行的并且指示移动头灯具的相同方向。因此可以获得移动头灯具的姿态，其中移动头灯具的位置由位置p_灯具[x_灯具，y_灯具，z_灯具]指示，并且其中移动头灯具的取向被指示为取向向量

和/或

图5示出了示出获得的位置p₁、p₂和p₃的位置的透视向量图并且用于示出步骤352的另一实施例。在该实施例中，执行使可旋转结构沿预定旋转方向旋转的步骤344，使得在获得所获得位置时总旋转角度小于360度。因此确保了所有获得的点都是在可旋转结构围绕轭轴旋转一圈内获得的。图5示出了与图4类似的向量图，并且类似的元件被赋予相同的参考数字，并且将不再进一步描述。

的坐标

并因此移动头灯具的位置p_灯具[x_灯具，y_灯具，z_灯具]可以使用如先前结合图4描述的方程式8、方程式9和方程式10找到。

多个正割向量可以在获得的位置p₁、p₂和p₃中的每一个之间限定，并且这些正割向量可以被发现为：

方程式13：

方程式14：

方程式15：

为了简化图示，正割向量

在图5中未示出。

两个正割向量之间的角度小于180度，因为已在总共小于360度的可旋转结构的旋转期间获得所获得的点。正割向量也布置在由圆471形成的同一平面中，并且两个正割向量之间的叉积因此产生取向向量

其垂直于圆的平面。取向向量的方向由正割向量叉积的顺序限定，并且使用右手定则使得可以获得叉积相对于由圆形成的平面的方向。

在所示实施例中，正割向量

与

之间的叉积将具有相对于圆的平面向上指向的方向。

取向向量

可以因此被发现为方程式16：

应理解，取向向量

可以被发现为正割向量的许多不同组合的叉积，并且可以基于正割向量叉积的顺序使用右手定则找到取向向量的方向。例如，可以限定从所获得的点之一开始到其他获得点的正割向量，并且这些正割向量中的任何一个之间的叉积将垂直于圆的平面。可以基于旋转方向找到所得到的取向向量相对于平面的方向。

例如，可以从第一获得位置到第二获得位置限定第一正割向量，并且可以从第一获得位置到第三获得位置限定第二正割向量，并且当第一获得位置、第二获得位置沿圆按时间顺序布置时，并且当取向向量可以作为第一正割向量与第二向量之间的叉积获得时，可以使用右手定则获得取向向量相对于圆的平面的方向。

取向向量

(例如，如使用图4或图5的方法获得的)指示灯移动头灯具的取向，在一些应用中，这可以足以限定移动头灯具的取向，然而在许多应用中，还需要知道移动头灯具相对于取向向量的角取向。例如，与其中可旋转结构被设置为承载如图1所述的头部的轭的移动头灯具结合，可能需要限定移动头灯具相对于轭轴的角取向。因此，该方法可以包括获得灯具的角取向的步骤353。

移动头灯具相对于旋转轴的角取向可以例如由角取向向量

指示并且可以通过将所述第一位置指示器布置在相对于旋转轴的至少一个预定位置来获得。预定位置可以例如是可旋转结构相对于固定结构的预定位置。在移动头灯具中，这可以通过指导致动器围绕旋转轴旋转可旋转结构以将可旋转结构旋转到预定角位置来实现。因此，该方法可以包括以下步骤：通过将所述可旋转结构旋转到预定角位置，将所述第一位置指示器布置在相对于旋转轴的至少一个预定位置。该步骤例如可以通过在获得位置指示器的位置之前将位置指示器布置在预定位置来作为步骤240的一部分来执行。

在结合图3、图4和图5描述的方法中，第一位置p₁例如可以是预定位置，其中可旋转结构布置在相对于固定结构的预定位置处。半径向量

(通过方程式5找到)可以用作限定支撑结构围绕旋转轴的角取向的角取向向量。因此：

方程式17

注意到，位置指示器布置在的一些或所有位置可以是预定位置，因此由这些位置中的每一个限定的半径向量可以用作限定灯具相对于旋转轴的角取向的角位置向量。

图6示出了根据本发明的方法的流程图。该方法包括与结合图2所示方法描述的相同步骤，并且步骤具有与图2中相同的参考数字，并且将不再进一步描述。

在该实施例中，步骤240以步骤645开始：将可旋转结构布置在相对于支撑结构的预定角位置。预定角位置可以例如由限定可旋转结构相对于支撑结构的旋转角的角度A指示，当可旋转结构已布置在预定角位置时，执行获得位置指示器125的位置的步骤241。

在该实施例中，步骤241包括获得在位置指示器的同一位置处的多个位置的步骤646。这可以通过使用位置指示器执行多个位置测量并将获得的位置测量存储在存储器中来完成。此后，可以验证647测量位置的质量，以确保在步骤241中获得的位置位于预定的公差内。例如，可以通过确定测量位置的扩展来执行验证，并且如果测量位置的扩展超过预定公差，则丢弃测量。可替代地，如果单个测量落在与作为测量点的平均值获得的平均位置的预定距离之外，则可以丢弃单个测量。在无法验证测量点的情况下，可以重复步骤646，直到测量的位置满足所需的公差。这确保了在步骤250中用于确定灯具的姿态的所获得的点落入预定的公差内，并且可以以期望的精度确定移动头的姿态。可替代地，可以在重复步骤646之前执行旋转可旋转结构的步骤242，由此将位置指示器移动到另一个位置。这使得可以获得灯具的姿态，尽管某些位置处的位置指示器可能无法提供其位置的准确指示，例如由于弱信号、信号噪声、视线丧失，这取决于位置指示器正在使用的位置技术。

在步骤648中基于多个测量位置确定位置指示器在预定位置的获得位置，例如通过将获得位置确定为所有测量位置的平均位置。这提高了位置的质量并平均了测量误差。

在该实施例中，旋转可旋转结构的步骤242包括使可旋转结构沿预定旋转方向并以预定旋转角度旋转的步骤644。预定的旋转角度可以是可旋转结构相对于支撑结构可以进行的总角旋转内的任何角度。在该实施例中，预定旋转角度被获得为360度除以获得的位置数n。结果，可旋转结构在应获得位置的每个位置之间旋转360/n度。因此，获得的位置将在围绕旋转轴的圆上均匀分布。因此可以基于多个获得位置获得移动头灯具相对于旋转轴的角取向。由于每个位置点的位置可以链接到在步骤645中获得的预定位置的事实，从获得位置中的每一个的半径向量可以链接到移动头灯具相对于旋转轴的角取向。在所示实施例中，位置指示器以大于4个位置(n>＝4)的相等数量布置，并且获得在这些位置中的每一个处的对应的位置。由于可旋转结构在每个位置之间旋转360/n度并且可旋转结构布置在相同数量的位置的事实导致可以获得多个n/2个位置对的事实；其中位置对包括布置在圆/旋转轴的相反侧的两个获得位置。位置对可用于确定移动头灯具的姿态，如下面结合步骤250所述的。

在该实施例中，步骤250包括确定并验证每个位置对的两个位置之间的距离的步骤654。由于每个位置对的位置布置在旋转轴的相反侧，每个位置对的位置之间的距离理想地应当等于对应于2r的圆的直径，其中r是从旋转轴到位置指示器的距离。通过测试位置的两个点之间的距离在预定义公差内来验证位置对。在位置对的两个点之间的距离不在预定公差内的情况下，可以忽略位置对，或者可以重复步骤240以便确保探针数据。丢弃位置对而不重复步骤240要求有足够的位置对来执行步骤250的剩余步骤。

步骤651是确定移动头灯具的位置的步骤，并且例如可以基于例如使用方程式8、方程式9和方程式10获得的位置中的至少三个确定。

在另一个实施例中，通过获得由获得位置(其沿着围绕旋转轴的圆均等布置)的位置向量限定的平均位置向量来获得移动头灯具的位置。

方程式18

其中

是作为获得位置的位置向量

的平均向量获得的移动头灯具的位置向量。移动头灯具的位置向量的坐标可以用于限定移动头灯具的位置p_灯具[x_灯具，y_灯具，z_灯具]。

在另一个实施例中，可以通过确定位置对的位置之间的中点来确定移动头灯具的位置，因为在圆的相反侧的两个位置之间的中点将位于圆的中心并且可以用作移动头灯具的位置。此外，可以计算所有位置对的中点，并且可以将所有中点的平均点用作移动头灯具的位置。中点的坐标或中点的平均的坐标可以用于指示移动头灯具的位置p_灯具[x_灯具，y_灯具，z_灯具]。

在步骤653中，指示移动头灯具相对于旋转轴的角取向的至少一个角取向向量

基于获得的预定位置确定，并且限定支撑结构相对于旋转轴的角取向。例如，角取向向量可以被限定为在位置对的位置之间形成的向量，作为从在步骤251中获得的移动头灯具的位置p_灯具[x_灯具，y_灯具，z_灯具]到预定位置之一的半径向量。

在步骤652中，指示移动头灯具的旋转轴的取向的至少一个取向向量

基于获得的预定位置确定。取向可以如前所述限定为两个半径向量之间的叉积，或者如前所述作为两个正割向量之间的叉积。正割向量可以例如在位置对的两个位置之间限定。

图7示出了与图4类似的向量图，并且类似的元件被赋予相同的参考数字，并且将不再进一步描述。图7的向量图用于说明如图6所示的获得移动头灯具的姿态的方法。在该实例中，位置指示器布置在4个不同的位置p₁、p₂、p₃和p₄。通过将位置指示器布置在预定位置来获得第一位置p₁(步骤645)。在该实例中，预定位置对应于可旋转结构相对于支撑结构的零度旋转。如结合图6所述，通过以下步骤获得位置p₁(步骤241)：使用位置指示器测量多个位置(步骤664)；验证测量的位置(步骤647)；以及将位置提供为多个位置测量的平均值(步骤648)。随后使可旋转结构旋转360/4＝90度(步骤644)，并以与p₁类似的方式获得位置p₂。因此，获得在可旋转结构相对于支撑结构旋转90度的位置处的位置p₂。随后使可旋转结构再旋转90度(步骤644)，并以与p₁类似的方式获得位置p₃。因此，获得在可旋转结构相对于支撑结构旋转180度的位置处的位置p₃。最后使可旋转结构再旋转90度(步骤644)，并以与p₁类似的方式获得位置p₄。因此，获得在可旋转结构相对于支撑结构旋转270度的位置处的位置p₄。所获得的位置存储在存储器中并用于获得移动头灯具的姿态的步骤250中。

位置p₁和p₃形成第一位置对，因为它们布置在圆471的相反侧，并且位置p₂和p₄形成第二位置对，因为它们布置在圆471的相反侧。移动头灯具的位置p_灯具[x_灯具，y_灯具，z_灯具]被发现为第一位置对和第二位置对的所有中点的平均点。

第一中点可以被发现为：

方程式19

其中

是从参考点127到第一中点的向量，

是从参考点127到第一点p₁的第一位置向量，并且

是从参考点127到第三点p₃的第三向量。

第二中点可以被发现为：

方程式20

其中

是从参考点127到第二中点的向量，

是从参考点127到第二点p₂的第二位置向量，并且

是从参考点127到第四点p₄的第四位置向量。

随后移动头灯具的位置可以被发现为：

方程式21

在该实例中，移动头灯具的角取向和取向被确定为一组x'、y'z'取向向量，其中取向向量彼此垂直。x'、y'取向向量是在步骤653中确定的角取向向量，并且z'取向向量对应于在步骤652中确定的取向向量。

x’取向向量

指示移动头灯具沿着轴的角取向，旋转结构已以相对于支撑结构的0度旋转布置在所述轴。x’取向向量

可以被发现为从第一位置点p₁到第三位置点p₃的正割向量：

方程式22

y’取向向量

指示移动头灯具沿着轴的角取向，旋转结构已以相对于支撑结构的90度旋转布置在所述轴。y’取向向量

可以被发现为从第二位置点p₂到第四位置点p₄的正割向量：

方程式23

在图6所示方法的步骤653中找到x'取向向量和y'取向向量。

z'取向向量指示移动头灯具的取向，并且垂直于由x'取向向量和y'取向向量形成的平面，并因此可以被发现为x'取向向量和y'取向向量之间的叉积：

方程式24

x'取向向量和y'取向向量叉积的顺序由旋转方向确定。如果可旋转结构相对于支撑结构沿逆时针方向旋转，则z'取向向量将相对于支撑结构向下指向，并且如果可旋转结构相对于支撑结构沿顺时针方向旋转，则z'取向向量将相对于支撑结构向上指向。

在这个实例中，移动头灯具的姿态因此由以下指示：

·移动头灯具在轭旋转轴和头部旋转轴交叉的位置处的位置；

·x'取向向量，其指示当可旋转结构(轭)相对于支撑结构(基部)旋转零度时头部旋转轴的取向；

·y'取向向量，其指示当可旋转结构(轭)相对于支撑结构(基部)旋转90度时头部旋转轴的取向；以及

·z'取向向量，其指示轭旋转轴在远离支撑结构的方向上的取向。

图8示出了根据本发明的一个方面的灯具801的结构图。灯具801与图1中所示的灯具基本相同，并且相同的特征被赋予相同的参考数字，并且将不再进一步详细描述。在该实施例中，灯具包括第二位置指示器826，其布置在可旋转结构处并且在沿着且偏离旋转轴的第二位置处。第二位置指示器指示第二位置指示器相对于参考点127的位置。第二位置指示器可以是能够指示位置指示器相对于参考点的位置的任何装置。位置指示器可以例如基于全球导航卫星系统(GNSS)，诸如GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou等；Wi-Fi定位系统(WPS)、基于蓝牙的定位系统；基于射频的定位系统、声音/超声定位系统、基于光的定位系统、基于加速度计的定位系统、基于陀螺仪的定位系统或其组合。第二位置指示器可以例如指示其相对于参考点127的位置例如在由x、y、z轴形成的3D坐标系中的坐标。

图9示出了确定移动头灯具的姿态的方法的一个实施例的流程图，其中移动头灯具包括支撑结构和可旋转地连接到支撑结构的可旋转结构，使得可旋转结构可围绕旋转轴旋转。可旋转结构包括生成光束的至少一个光源。该方法被描述为用于确定图8中所示的移动头灯具801的姿态的方法。该方法包括与图2中所示的方法相同的步骤，并且类似的方法步骤被赋予相同的参考数字，并且将不再进一步详细描述。

在该实施例中，在可旋转结构处并且在沿着且偏离旋转轴的第一位置处提供第一位置指示器的步骤930还包括在可旋转结构和第二位置处提供第二位置指示器的步骤。该步骤可以通过将位置指示器布置在可旋转结构处在它们布置成与旋转轴相距一定距离的位置处来执行。位置指示器可以布置在可旋转结构的任何位置处，该位置偏离旋转轴，导致位置指示器在可旋转结构旋转时将围绕旋转轴旋转的事实。位置指示器例如可以设置为可旋转结构的组成部分，设置在可旋转结构内部，设置在可旋转结构的外表面处或可旋转结构的任何其他位置处。第一位置指示器和第二位置指示器还布置在沿着旋转轴的不同位置处。在图8所示的移动头灯具处，通过在偏离轭轴107的位置处将位置指示器125布置在轭105处将第一位置指示器125提供在可旋转结构处。在图8中，第一位置指示器布置成与旋转轴相距一距离r，并且在轭旋转时将围绕轭轴旋转。类似地，通过在偏离轭轴107的位置处将位置指示器826布置在轭105处将第二位置指示器826提供在可旋转结构处。第二位置指示器布置成与旋转轴相距一距离r’，并且在轭旋转时将围绕轭轴旋转。应理解，距离r和r'可以相同或不同。第一位置指示器和第二位置指示器还布置在沿着旋转轴的不同位置处并且分开距离d。

将位置指示器布置在围绕旋转轴的轴的至少三个不同位置处并且获得在至少三个不同位置中的每一个处的位置指示器的位置的步骤240可以通过重复步骤941和242直到获得在围绕旋转轴的至少三个不同位置处的位置指示器的位置来执行。

获得位置指示器125和826的位置的步骤941可以通过使用位置指示器来指示其相对于参考点127的位置并将指示的位置存储在存储器222中来执行。位置指示器的位置可以存储为能够指示位置指示器的位置的任何数据集。例如，作为相对于参考点的x、y、z坐标。此后，测试243是否已经获得了在至少三个不同位置处的位置，并且如果不是这种情况，则在步骤242中旋转可旋转结构。

第一位置指示器的获得位置p₁、p₂、p₃……p_n可以例如存储为一些坐标p₁[x₁，y₁，z₁]、p₂[x₂，y₂，z₂]、p₃[x₃，y₃，z₃]……p_n[x_n，y_n，z_n]，其中x_n指示位置的x坐标，y_n指示位置的y坐标，并且z_n指示位置的z坐标。类似地，第二位置指示器的获得位置p’₁、p’₂、p’₃……p’_n可以例如存储为一些坐标p’₁[x’₁，y’₁，z’₁]、p’₂[x’₂，y’₂，z’₂]、p’₃[x’₃，y’₃，z’₃]……p’_n[x’_n，y’_n，z’_n]，其中x’_n指示位置的x坐标，y’_n指示位置的y坐标，并且z’_n指示位置的z坐标。

图10示出了与图4类似的向量图，并且类似的元件被赋予相同的参考数字，并且将不再进一步描述。图10的向量图用于说明获得如图8所示的移动头灯具的姿态的方法(图9)。在向量图中示出了在步骤240中获得的位置和对应的位置向量。由第一位置指示器获得的位置p₁、p₂、p₃……p_n将位于第一圆471中，并且由第二位置指示器获得的位置p’₁、p’₂、p’₃……p’_n将位于第二圆1072上。

在该实施例中，确定移动头灯具的姿态的步骤250包括步骤351：基于第一位置指示器的获得位置和如前所述的方程式8至方程式10获得灯具的位置p_灯具[x_灯具，y_灯具，z_灯具]。

在该实施例中，确定移动头灯具的姿态的步骤250包括步骤955：获得由第二位置指示器的获得位置形成的第二圆1072的中心p’_灯具[x’_灯具，y’_灯具，z’_灯具]。第二位置指示器将类似第一位置指示器围绕轭轴执行圆形旋转1072，并且第二位置指示器的获得位置p’₁、p’₂和p’₃将因此定位在该圆上。可以在方程式8至方程式10中使用第二位置指示器的获得位置p’₁、p’₂、p’₃和与旋转轴的距离r’找到圆的中心P’_灯具，因此可以找到第二圆的中心p’_灯具[x’_灯具，y’_灯具，z’_灯具]。

在该实施例中并且在步骤952中，移动头灯具的取向

基于移动头灯具的位置p_灯具[x_灯具，y_灯具，z_灯具]和第二圆的中心p’_灯具[x’_灯具，y’_灯具，z’_灯具]获得：

方程式25

其中

是位置p_灯具的位置向量，并且

是位置p’_灯具的位置向量。

使用两个位置指示器使得可以在不知道旋转方向的情况下获得取向向量。

如前所述，可以在步骤353中确定移动头灯具的角取向。

图11示出了根据本发明的一个方面的灯具1101的结构图。灯具1101与图1中所示的灯具基本相同，并且相同的特征被赋予相同的参考数字，并且将不再进一步详细描述。在该图中，灯具110从侧面示出，并且头部轴113因此垂直于附图平面。如前所述，头部可如箭头115所示的围绕头部轴113旋转，并且头部111以虚线示出处于第一位置，其中头部相对于轭轴旋转90度并且光束117处于基本上与基部平行的这个位置中。在实线中，头部111被示出为第二位置，其中头部相对于轭轴旋转0度，并且光束117基本上相对于基部向上指向。

在该实施例中，灯具包括布置在头部111处的第一位置指示器1125，并且位置指示器指示第一位置指示器相对于参考点127的位置，如前所述。因此，位置指示器1125将在头部旋转时相对于轭轴移动，并且在头部的第一位置中布置在距轭轴的距离r和沿头部轴的距离D处。在头部的第二位置，第一位置指示器1125布置距轭轴的距离r'和沿头部轴的距离D'处。

图12示出了确定图11中示出的移动头灯具的姿态的方法的一个实施例的流程图。该方法包括与结合先前描述的方法步骤描述的基本相同的步骤。

在该实施例中，通过将第一位置指示器布置在移动头灯具的头部处(其中头部可相对于轭旋转，所述轭可相对于基部旋转)来执行在可旋转结构处并且在沿着且偏离旋转轴的第一位置处提供第一位置指示器的步骤1230。位置指示器可以布置在头部的任何位置处，该位置偏离轭轴，导致位置指示器在轭旋转时将围绕轭轴旋转的事实。位置指示器例如可以设置为头部的组成部分，设置在头部内部，设置在头部的外表面处或头部的任何其他位置处。

将位置指示器布置在围绕旋转轴的轴的至少三个不同位置处并且获得在至少三个不同位置中的每一个处的位置指示器的位置的步骤240可以通过重复步骤241和242直到获得在围绕旋转轴的至少三个不同位置处的位置指示器的位置来执行。

在该实施例中，在头部处于相对于轭轴的至少两个不同位置的情况下执行重复步骤241和步骤242。在该实施例中，这在头部处于相对于轭轴的至少两个不同位置的情况下验证已获得至少三个位置的步骤1243中执行。这可以例如通过每当测试243为好时将计数器t增加1并随后在1243中测试计数器t是否为至少2来完成。如果测试1243是否定的，则执行使头部相对于头部轴旋转的步骤1249，由此头部布置在相对于轭轴的不同位置处。随后重复步骤241和242，直到获得位置指示器围绕轭轴的至少三个位置。注意到，位置指示器围绕轭轴的至少三个位置可在头部相对于轭的多于两个位置处执行。

头部处于第一位置的情况下的第一位置指示器的获得位置p₁、p₂、p₃……p_n可以存储为一些坐标p₁[x₁，y₁，z₁]、p₂[x₂，y₂，z₂]、p₃[x₃，y₃，z₃]……p_n[x_n，y_n，z_n]，其中x_n指示位置的x坐标，y_n指示位置的y坐标，并且z_n指示位置的z坐标。类似地，头部处于第二位置的情况下的第一位置指示器的获得位置p’₁、p’₂、’p₃……p’_n可以例如存储为一些坐标p’₁[x’₁，y’₁，z’₁]、p’₂[x’₂，y’₂，z’₂]、p’₃[x’₃，y’₃，z’₃]……p’_n[x’_n，y’_n，z’_n]，其中x’_n指示位置的x坐标，y’_n指示位置的y坐标，并且z’_n指示位置的z坐标。

图13示出了与图10类似的向量图，并且类似的元件被赋予相同的参考数字，并且将不再进一步描述。图12的向量图用于说明获得移动头灯具(图11)的姿态的方法(图12)。在向量图中示出了在步骤240中获得的位置和对应的位置向量。头部处于第一位置情况下由第一位置获得的位置p₁、p₂、p₃……p_n将位于第一圆1371中，并且由第二位置指示器获得的位置p’₁、p’₂、p’₃……p’_n将位于第二圆1372上。

在该实施例中，确定移动头灯具的姿态的步骤250包括步骤1256：获得由头部处于第一位置情况下位置指示器的获得位置形成的第二圆1371的中心p_c1[x_c1，y_c1，z_c1]。可以使用方程式8至方程式10使用第二位置指示器的获得位置p₁、p₂、p3……p_n和与旋转轴的距离r找到圆的中心P_c1，因此可以找到第二圆的中心p_c1[x_c1，y_c1，z_c1]。可替代地，方程式18也可用于找到第一圆的中心。

在该实施例中，确定移动头灯具的姿态的步骤250包括步骤1255：获得由头部处于第二位置情况下位置指示器的获得位置形成的第二圆1372的中心p_c2[x_c2，y_c2，z_c2]。可以使用方程式8至方程式10使用第二位置指示器的获得位置p’₁、p’₂、p’3……p’_n和与旋转轴的距离找到圆的中心P_c2，因此可以找到第二圆的中心p_c2[x_c2，y_c2，z_c2]。可替代地，方程式18也可用于找到第二圆的中心。

在该实施例中并且在步骤1252中，移动头灯具的取向

基于第一圆和第二圆的中心获得，使用：

方程式26

其中

是位置p_c1的位置向量，并且

是位置p_c2的位置向量。

在该实施例中并且在步骤1251中，移动头灯具的位置p_灯具[x_灯具，y_灯具，z_灯具]基于第一圆和第二圆的中心和在步骤1252中获得的取向向量获得。在这个实施例中，在轭轴107与头部轴113的交叉处限定移动头灯具的位置。位置向量

可以被发现为：

方程式27

其中

是位置p_c2的位置向量，D’是当头部布置在第二位置时沿着轭轴从头部轴到位置指示器的距离，并且

是取向向量的单位向量。

可替代地，位置向量

可以被发现为：

方程式28

其中

是位置p_c12的位置向量，D是当头部布置在第一位置时沿着轭轴从头部轴到位置指示器的距离，并且

是取向向量的单位向量。

如前所述，可以在步骤453中确定移动头灯具的角取向，其中获得位置之一被认为是预定位置。

应理解，可以组合先前描述的确定移动头灯具的姿态的方法，并且可以在所描述的方法中的其他方法中使用所描述的方法之一的一些方法步骤。

方法可以体现到各种系统中，例如方法可以直接实现到移动头灯具的处理器中，在这种系统中，位置指示器应当能够在内部确定其位置并且将位置提供到移动头灯具的处理器。在这种系统中，移动头灯具可以被配置成将移动头灯具的姿态直接发送到中央控制器，诸如灯控制器、灯控制器软件或可视化软件。

还可以将该方法体现到一种系统中，其中中央控制器将控制命令发送到移动头灯具，并从而确保移动头灯具执行如方法中所述的旋转/移动。随后可以通过位置确定系统确定位置指示器的位置，该位置确定系统确定位置指示器在各个位置处的位置并将这些位置发送到中央控制器。随后，中央控制器被配置成基于接收的数据确定移动头灯具的姿态。因此，各种计算可以在灯具、中央控制器或定位系统中完成。

注意到，位置指示器可以基于超声技术、基于射频或基于光的技术。位置指示器可以例如被提供为发送声音、超声波、射频或光中的参考信号的发射器。随后可以在位置指示器的周围提供多个接收器，并且这些接收器从发射器接收参考信号，并且控制器可以配置成基于由接收器接收的信号确定位置指示器的位置。例如，基于不同接收器接收参考信号的时间延迟，基于参考信号的电平等。

在一个实施例中，定位系统基于超声波，位置指示器发送超声波，随后由多个接收器接收超声波，这些接收器基于超声波的延迟确定移动头灯具的位置。相反的系统也是可能的，其中多个发射器布置在灯具周围并且发送超声波，其中位置指示器基于发射器发送的不同超声波之间的延迟来确定其位置。例如，在WO 95/14241、us6141293、us6316934、us6484131、us6487516、WO06102844、WO08005931或WO11054358中所公开的。可以使用RF发射器和接收器建立类似的系统。

参考列表

Claims (16)

1.一种确定移动头灯具的姿态的方法，其中所述移动头灯具包括支撑结构和可旋转结构，所述可旋转结构可旋转地连接到所述支撑结构并且可围绕旋转轴旋转，并且所述可旋转结构包括生成光束的至少一个光源，所述可旋转结构包括位于所述可旋转结构处的第一位置指示器，所述位置指示器布置在偏离所述旋转轴的第一位置处，所述第一位置指示器指示所述第一位置指示器相对于参考点的位置；

所述方法包括以下步骤：

-将所述第一位置指示器布置在围绕所述旋转轴的至少三个不同位置处，并且获得在所述至少三个不同位置中的每一个处的所述位置指示器的所述位置，其中，通过使用所述位置指示器获得所述位置指示器的所述位置，并且其中，通过使所述可旋转结构围绕所述旋转轴旋转将所述位置指示器布置在所述至少三个不同位置处；

-基于所述第一位置指示器在所述至少三个不同位置中每一个位置处获得的获得位置确定所述移动头灯具的所述姿态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述移动头灯具的所述姿态的所述步骤包括：确定取向向量的步骤，其中所述取向向量指示所述旋转轴相对于参考点的取向；以及确定所述移动头灯具相对于所述参考点的位置的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述移动头灯具的所述姿态的所述步骤包括确定角取向向量的步骤，其中所述角取向向量指示所述移动头灯具相对于所述旋转轴的角取向。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获得在所述至少三个不同位置处的所述第一位置指示器的所述位置的所述步骤包括使所述可旋转结构沿预定旋转方向旋转的步骤，并且在于，确定所述移动头灯具的所述姿态的所述步骤还基于所述旋转方向。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述第一位置指示器布置在围绕所述旋转轴的至少三个不同位置处的所述步骤包括将所述第一位置指示器布置在至少一个预定位置处的步骤；并且在于，确定所述移动头灯具的所述姿态的所述步骤还基于所述至少一个预定位置。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定所述角取向向量的所述步骤基于所述至少一个预定位置。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述移动头灯具的所述姿态的所述步骤基于预定距离，其中所述预定距离指示从所述旋转轴到所述第一位置指示器的距离。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

-将所述第一位置指示器布置在沿着所述旋转轴的另一位置处，其中所述另一位置与沿着所述旋转轴的第一位置不同，

并且在所述另一位置处：

-通过使所述可旋转结构围绕所述旋转轴旋转，将所述第一位置指示器布置在围绕所述旋转轴的至少三个位置处；以及

-使用所述位置指示器获得在所述至少三个不同位置中的每一个处的所述第一位置指示器的所述位置；

并且在于，确定所述移动头灯具的所述姿态的所述步骤还基于在所述另一位置处的所述第一位置指示器的所述获得位置。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述移动头灯具包括第二位置指示器，所述第二位置指示器偏离所述旋转轴位于沿着所述旋转轴的第二位置处，沿着所述旋转轴所述第二位置与所述第一位置不同，所述第二位置指示器指示所述第二位置指示器相对于所述参考点的位置；

所述方法包括以下步骤：

-通过使所述可旋转结构围绕所述旋转轴旋转，将所述第二位置指示器布置在围绕所述旋转轴的至少三个位置处；

-使用所述第二位置指示器获得在所述至少三个不同位置中的每一个处的所述第二位置指示器的所述位置；

其中确定所述移动头灯具的所述姿态的所述步骤还基于所述第二位置指示器在所述至少三个不同位置中每一个位置处的所述获得位置。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获得所述位置指示器中任一个的所述位置的所述步骤中的任一个包括获得在所述不同位置中的每一个处的多个位置测量的步骤，并且所述位置指示器中任一个的所述获得位置基于所述多个位置测量获得。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，获得所述位置指示器中任一个的所述位置的所述步骤中的任一个包括以下步骤：获得所述多个位置测量的统计扩展并且丢弃落在预定扩展公差之外的位置测量。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述位置指示器中的任一个布置在围绕所述轴的至少三个位置处的所述步骤中的任一个包括以下步骤：通过使所述可旋转结构相对于所述旋转轴旋转180度将所述位置指示器布置在相对于所述旋转轴彼此相反的两个位置处。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述可旋转结构的所述第一位置处提供所述第一位置指示器的步骤。

14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述可旋转结构的所述第二位置处提供所述第二位置指示器的步骤。

15.一种基于权利要求1-14中任一项所述的确定移动头灯具的姿态的方法来确定移动头灯具的姿态的系统，其中所述系统包括：

·至少一个移动头灯具，其包括支撑结构和可旋转结构，所述可旋转结构可旋转地连接到所述支撑结构并且可围绕旋转轴旋转，并且所述可旋转结构包括生成光束的至少一个光源，所述可旋转结构包括第一位置指示器，所述第一位置指示器指示所述第一位置指示器相对于参考点的位置，并且所述第一位置指示器布置成与所述旋转轴偏离；以及

·控制器，其被配置成将所述第一位置指示器布置在围绕所述旋转轴的至少三个不同位置处，并且获得在所述至少三个不同位置中的每一个处的所述位置指示器的所述位置，其中从所述位置指示器获得所述位置指示器的所述位置，并且其中通过使所述可旋转结构围绕所述旋转轴旋转将所述位置指示器布置在所述至少三个不同位置处；其中所述控制器还被配置成基于所述第一位置指示器在所述至少三个不同位置中每一个位置处获得的获得位置确定所述移动头灯具的所述姿态。

16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述控制器设置为连接到所述移动头灯具的中央灯控制器，所述中央灯控制器被配置成向所述移动头灯具发送控制信号，并且所述控制器被配置成通过向所述移动头灯具发送指示所述旋转的控制信号来旋转所述移动头灯具的所述可旋转结构，并且所述中央灯控制器被配置成从包括所述位置指示器的位置系统接收所述位置指示器的所述位置。

Images