CN112424563A - 用于精确计算动态对象的位置和方位的多维测量系统 - Google Patents

Abstract

本文描述了测量系统，该测量系统实时且精准地计算动态对象的完整位置和方位。测量系统包括激光单元、目标、照相机单元以及控制单元。该目标布置成围绕所有三个空间轴旋转，并且包括反射元件、陀螺仪以及一对发光装置。该激光单元布置成围绕该激光单元的两个空间轴旋转，并且进一步布置成朝向目标发射激光束。反射元件将激光束反射回激光单元，激光单元在那里检测到返回的激光束。照相机单元布置成检测从这对发光装置发出的光。控制单元布置成收集由系统捕获的信息和数据，以确定对象的位置和方位。

Description

用于精确计算动态对象的位置和方位的多维测量系统

技术领域

本发明一般涉及用于收集信息和数据以计算对象的位置和方位的系统和方法。更具体地，本发明涉及多维测量系统，该系统用于收集用于精确计算动态对象的位置和方位的数据和信息，其收集多个测量结果以调整误差，从而更精确地计算动态对象的位置和方位。

背景技术

在许多生活探索中，精确测量和确定对象的精确位置和方位是有用的。精确位置和方位测量在制造业、工业研发、产品开发和学术研究等许多领域都是有用的，甚至是至关重要的。有一些用于确定对象的位置和/或方位的现有系统。这种系统的复杂程度各不相同，有些系统仅限于确定对象的空间位置(即对象在三维空间中的位置)，但不能确定对象的旋转方位(即对象绕其三个空间轴的旋转，三个空间轴通常称为偏航轴、纵倾轴和横摇轴)。这种系统通常称为三维测量系统。更复杂的系统还可以测量对象围绕两个特殊轴(通常是偏航轴和纵倾轴)的旋转方位。这种系统通常称为五维测量系统。更复杂的系统还可以测量对象围绕三个空间轴的旋转位置。这种系统通常称为六维测量系统。同时确定对象空间位置和完整方位通常称为测量对象的六个自由度。

测量系统可以布置成使用激光束来确定对象的位置。这种系统通常包括用于向对象发射激光束的激光发射装置、附着在对象上以反射激光束的一个或多个反射元件、以及用于检测反射的激光束的激光检测装置。激光发射装置和激光检测装置通常耦合在一起成为一个装置。激光发射/检测装置通常固定在一个静态位置(例如放置在长凳上或三角架上)，从而提供待测量对象的无障碍视场。通常允许激光发射/检测装置绕两个空间轴旋转一定程度，以便在对象移动时跟踪对象。反射元件附着到对象上，并布置成将激光束反射回发射激光束的方向。激光发射/检测装置检测反射的激光束，并收集激光束的特征(例如飞行时间和激光束发射和返回的角度)。通过数学和几何计算，测量系统可以确定对象位置的某些方面。

这种测量系统有着广泛的应用。例如，在机器人制造中，通常要求对机器人部件精准定位和定向。精准跟踪机器人部件的运动，并视需要调整部件的位置和方位，这对于制造高质量的产品至关重要。现有测量系统在测量对象的方位时(特别是当对象绕其空间轴旋转时)容易出现误差。有对现有测量系统进行改进以对动态对象进行精准且精确的位置和方位测量的需求。

发明内容

在一个实施例中，提供了测量系统，该测量系统实时且精准地计算动态对象的完整位置和方位。测量系统包括激光单元、目标、控制单元和用于测量绕横摇轴的旋转的机构。该目标布置成围绕所有三个空间轴旋转，并且包括反射元件和陀螺仪。目标附着到待计算位置的对象。该激光单元布置成围绕该激光单元的两个空间轴旋转，并且进一步布置成朝向附着在该对象上的目标发射激光束。目标的反射元件将激光束反射回激光单元，激光单元在那里检测到返回的激光束。在某些实施例中，可以将多个目标附着到该对象。

将激光单元和目标布置成使得当激光束朝向目标时，系统持续调整，使得目标的反射元件的表面保持与激光束的路径垂直。该系统收集激光单元的旋转位置、激光束从激光单元到目标的飞行时间以及返回的飞行时间的信息。根据这些信息，控制单元可以计算目标的空间位置(即笛卡尔坐标)，并将其转换为对象的空间位置。该系统以由目标内的伺服电机和编码器生成的数据的形式收集目标的旋转方位的信息。根据伺服电机和编码器的数据，控制单元可以计算出围绕目标偏航轴和纵倾轴的旋转方位，并将其转换为对象相对于偏航轴和纵倾轴的旋转方位。

关于围绕横摇轴的旋转方位，系统收集由陀螺仪和附加机构生成的信息。在一个实施例中，附加机构包括一对彼此隔开并附着到目标的发光装置，以及定位为捕捉目标图像并生成关于目标的数据的照相机单元。控制单元根据由陀螺仪和照相机单元产生的数据，计算出目标绕横摇轴的旋转方位，并将其转化为对象绕横摇轴的旋转方位。该系统布置成使得它通常依靠来自陀螺仪的数据以确定围绕横摇轴的旋转方位。此外，系统依靠照相机收集的信息来调整陀螺仪所经历的任何漂移。使发光装置间隔开，从而使得当目标横摇时，每个发光装置都经历相反的垂直和水平位移。照相机感应由这对发光装置发出的光，并能映射出发光装置的相对垂直和水平位移。根据这种垂直和水平位移，控制单元可以计算出目标的横摇，并根据来自陀螺仪收集的数据计算出的方位提供任何所需的校正或调整。

在另一实施例中，附加机构包括并入目标的一个或多个水准仪，其生成与目标相关的数据。根据陀螺仪和水准仪生成的数据，控制单元可以计算出目标绕横摇轴的旋转方位，并将其转化为对象绕横摇轴的旋转方位。同样，系统布置成使得它通常依靠来自陀螺仪的数据来确定绕横摇轴的旋转方位。该系统依靠由多个MEMS水准仪收集的信息来确定当目标处于静止状态时绕横摇轴的旋转，并针对陀螺仪在动态运动期间所经历的任何漂移进行调整。多个水准仪放置在所述目标内，使得至少一个水准仪能够通过围绕所述横摇轴的整个360度的路径来确定围绕所述横摇轴的旋转方位。通过这种确定，系统可以根据来自陀螺仪收集的数据计算出的旋转方位进行任何所需的校正或调整。

因此，本文公开的多维测量系统能够实时精准地计算动态对象的完整位置和旋转方位(即，六个自由度)。

附图说明

在附图中示出了与下面提供的详细描述一起描述所公开的系统、方法和设备的示例实施例的结构。在适当的情况下，用相同或类似的标号来标识类似的元件。示出为单个部件的元件可以替换为多个部件。显示为多个部件的元件可以替换为单个部件。图纸可能不是按比例绘制的。为了便于说明，可能会放大某些元件的比例。

图1示意性地示出了根据本发明的示例性多维测量系统的透视图。

图2示意性地示出用于使用图1的多维测量系统的示例性目标的透视图。

图3示意性地示出了陀螺仪和安装在轴上以用于图2的目标的一对发光装置的示例性透视图。

图4示意性地示出了图2的目标在顶部移除的情况下的透视图。

图5示意性地示出了根据本发明的另一示例性多维测量系统的左前透视图。

图6示意性地示出了图5的多维测量系统的右前透视图。

图7示意性地示出了根据本发明的又一示例性多维测量系统的左前透视图。

图8示意性地示出了图7的多维测量系统的右前透视图。

图9示意性地示出了位于已知初始位置的用于根据本发明的多维测量系统的目标的示例性透视图。

图10示意性地示出了图9的目标的前仰角图。

图11示意性地示出了图9的目标绕横摇轴从其初始位置旋转。

图12示意性地示出了图9的目标绕横摇轴从其初始位置旋转。

图13示意性地示出了图9的目标绕横摇轴从其初始位置旋转。

图14示意性地示出了图9的目标绕横摇轴从其初始位置旋转。

图15示意性地示出了用于在如本文所公开的多维测量系统中使用的目标内放置三个水准仪的布置，其中目标位于其已知的初始位置。

图16示意性地示出了图15的布置，所述布置绕横摇轴从其初始位置旋转。

图17示意性地示出了图15的布置，所述布置绕横摇轴从其初始位置旋转。

图18示意性地示出了图15的布置，所述布置绕横摇轴从其初始位置旋转。

图19示意性地示出了图15的布置，所述布置绕横摇轴从其初始位置旋转。

图20示意性地示出了图15的布置，所述布置绕横摇轴从其初始位置旋转。

图21示意性地示出了图15的布置，所述布置绕横摇轴从其初始位置旋转。

图22示意性地示出了图15的布置，所述布置绕横摇轴从其初始位置旋转。

图23示意性地示出了图15的布置，所述布置绕横摇轴从其初始位置旋转。

图24示意性地示出了用于在本文所公开的多维测量系统中使用的在目标内放置三个水准仪的另一种布置。

图25示意性地示出了用于在本文所公开的多维测量系统中使用的在目标内放置一个水准仪的布置。

图26示意性地示出了用于在本文所公开的多维测量系统中使用的在目标内放置一对水准仪的布置。

具体实施方式

通过示例和参考附图详细描述本文档中公开的装置、系统、布置和方法。应当理解，可以对所公开和描述的示例、布置、配置、部件、元件、装置、方法、材料等进行修改，并且可以针对具体的应用进行修改。在本发明中，对特定技术、安排、方法等的任何识别要么与所呈现的具体示例相关，要么仅仅是对该技术、安排、方法等的一般描述。除非特别指定，否则具体细节或实例的标识不是旨在且不应解释为强制性或限制性的。下面，参照图1至26公开并详细描述用于实时精准地计算动态对象的完整位置和方位的装置、布置和方法的选定示例。

如本文将详细描述的，本文公开的多维测量系统和使用此类测量系统的方法提供了用于实时精准地确定动态对象的完整位置和旋转方位的新装置和方法。在一个实施例中，多维测量系统部分地通过组合使用陀螺仪、一对发光装置和对从这对发光装置发出的光敏感的照相机单元来计算动态对象的旋转方位。在另一实施例中，多维测量系统通过部分地组合使用陀螺仪和布置成确定相对于重力的方位角的一个或多个传感器来计算动态对象的旋转方位。为了便于描述，可称为例如倾斜仪、倾斜传感器或坡度传感器的此类传感器将在这里称为“水准仪”。将参考图9至25进一步讨论水准仪和使用水准仪的方法。在一个实施例中，多维测量系统部分地通过组合使用陀螺仪、一对发光装置、对从这对发光装置发出的光敏感的照相机单元和一个或多个水准仪来计算动态对象的旋转方位。

首先将详细描述示例性多维测量系统的各个部件，然后详细描述这些部件如何相互作用以向系统提供计算实时跟踪的动态对象的完整位置和旋转方位(即，六个自由度)所需的数据和信息。为了清楚起见，本文中使用的术语“动态对象”是指可以位置地(即相对于笛卡尔坐标系)并围绕其三个空间轴旋转(偏航、纵倾和横摇)地运动的对象。

图1示出了多维测量系统10。测量单元10包括激光测量单元20、目标30、照相机单元40以及控制单元50。尽管这些部件示出并描述为离散的部件，但是应当理解，所公开的部件中的一个或多个可以组合成单个部件。例如，激光单元20和照相机单元40可以组合成一个部件，激光单元20和控制单元50可以组合成一个部件，或者激光单元20、照相机单元40和控制单元20可以全部组合成一个部件。相反地，用多个功能说明或描述的部件可以分离成多个离散的部件。

激光单元20布置成发射激光束(“出射激光束”)，并且当激光束被反射回激光单元20(“入射激光束”)时检测该激光束。激光单元20布置成能够绕两个空间轴旋转。应当理解，这里使用的术语“空间轴”或“多个空间轴”是指传统笛卡尔坐标系的一个或多个轴，该传统笛卡尔坐标系提供三个垂直轴作为三维几何的参考。如图1所示，激光单元20的第一空间轴的旋转围绕穿过激光单元20的垂直线(以下称为方位角)，第二空间轴的旋转围绕穿过激光单元20的水平线(以下称为仰角)。这种旋转运动使得激光单元20能在许多不同的方向上发射激光束，并且因此在目标30与对象一起移动时跟随目标30。

激光单元20包括多个伺服电机，伺服电机用于使激光单元20围绕方位轴和仰角轴(仰角轴)旋转。激光单元20还包括多个编码器，编码器用于测量激光单元20围绕方位轴和仰角轴的旋转。当激光单元20发射出射激光束并随后接收到反射的入射激光束时，该激光单元20布置为能检测并捕捉到关于出射和入射激光束的特征的信息和数据。这些信息和数据包括例如从发射出射激光束到检测到入射激光束之间的飞行时间，以及出射和入射激光束与激光单元20之间的角度。如在此将进一步详细解释的，由激光单元20收集的信息和数据可用于计算相对于传统笛卡尔坐标系的对象的位置。

如图1和2所示，目标30包括反射元件60、穿过目标30的中心轴70、定位在目标30内并固定到中心轴70的(如本文将进一步说明和描述的)陀螺仪80、固定在靠近中心轴70一端的第一发光装置90、以及固定在靠近中心轴70的另一端的第二发光装置100。反射元件60定位为将定向到目标30的任何激光束沿其起始方向反射回来。在一个实施例中，反射元件60可以是后向反射器。

目标30布置为能绕三个空间轴旋转。如图1所示，目标30的第一空间轴的旋转围绕穿过目标30的垂直线(以下称为偏航)，第二空间轴的旋转围绕穿过目标30的第一水平线(以下称为纵倾)，第三空间轴的旋转围绕垂直于第一水平线的第二水平线(以下称为横摇)。这种旋转运动使目标30在其方位上有充足的自由度。当目标30固定到高动态系统(例如制造装配机器人的臂)时，可能要求具有这种充足的自由。如将进一步描述的那样，目标30可以布置成在工作期间面向大致相同的方向，而不管其所附着的对象所做的六维运动。这种功能可以使目标30(特别是反射元件60)在工作期间始终面向激光单元20。因此，在对象的位置和旋转方位待确定的整个期间，激光单元20和目标30可以通过出射和入射激光束保持光学通信。

与激光单元20类似，目标30包括多个伺服电机以用于使目标30围绕偏航、纵倾和横摇轴旋转。目标30还包括一些编码器以测量绕偏航轴和纵倾轴的旋转。如将要理解的，在本文所述的目标30的布置中，围绕横摇轴的旋转是难以使用编码器测量的。陀螺仪80布置成测量围绕横摇轴的旋转。如图3和4所示，陀螺仪80可固定在中心轴70上并定位在目标30内。在这种布置中，当目标30绕横摇轴旋转、进而使中心轴70绕横摇轴旋转时，陀螺仪80绕横摇轴旋转相同的量。由陀螺仪80产生的数据即可用于确定目标围绕横摇轴的旋转。在一个示例中，陀螺仪80可以是通常所说的微机电系统(MEMS)陀螺仪。

虽然陀螺仪通常可用于测量绕横摇轴的旋转，但陀螺仪可能会受到一种已知现象(通常称为“漂移”)的影响。陀螺仪漂移导致陀螺仪收集的旋转测量值随着时间的推移变得不精准。一种解决方案是通过将陀螺仪返回到已知的初始位置从而定期将陀螺仪“归零”。但是，对于某些应用(例如需要随时间持续测量的应用)，这种过程可能不切实际或效率低下。因此，本文公开和描述的多维测量系统包括用于实时校正由陀螺仪漂移引起的旋转测量误差的新的布置和过程。

一种用于实时校正横摇测量中的误差的新的布置和过程包括使用第一和第二发光装置(90、100)和照相机单元40。在一个实施例中，第一和第二发光装置(90、100)可以是发光二极管(“LED”)。如图1到4所示，第一和第二发光装置(90、100)可以固定到中心轴70，并且可以相对于横摇轴等距隔开。在所示的实施例中，第一和第二发光装置(90、100)定位为具有中心轴70的长度所允许的尽可能多的间隔。如将理解的，当目标30围绕横摇轴旋转时，第一和第二发光装置(90、100)将相对于垂直和水平方向朝相反的方向移动。因此，当检测到从第一和第二发光装置(90、100)发射的光时，可以使用垂直位移、水平位移或同时使用两者来计算目标30围绕横摇轴的旋转。如本文将进一步详细解释的，从伺服电机、编码器以及第一和第二发光装置(90、100)位置的检测收集到的信息和数据可用于计算目标30所附着对象的位置和旋转方位。

照相机单元40布置成对光敏感。因此，照相机单元40可以检测并记录从装置(例如第一和第二发光装置(90、100))发射的光。如将要理解的，由照相机单元40收集的信息和数据可用于计算对象的位置和旋转方位。如图1所示，照相机单元40定位为使得镜头110或其他图像捕捉设备朝向目标30，并且具体地，朝向第一和第二发光装置(90、100)。照相机单元40布置成使得其视场120(即照相机单元40可以捕捉图像的视场)包括当目标30随对象移动时第一和第二发光装置(90、100)的可能位置。应当理解，视场120是三维空间，其中视场120的横截面尺寸随着视场120朝向目标30从照相机单元40投影地更远而增大。视场120包括穿过视场120的横截面积中心的光轴。如果发光装置(90、100)位于照相机单元40的视场120中，则从发光装置(90、100)的检测收集的信息和数据可以实时地包括在动态对象的确定位置和方位中。在一个示例中，发光装置(90、100)可各自包括独特的特征(例如光强度、颜色或光等)，特征能使系统在分析由照相机单元40捕获的数据和信息时区分两个发光装置(90、100)。

控制单元50可以通过有线方法或无线方法放置为与激光单元20、目标30和/或照相机单元40通信，从而访问由系统10的部件收集的信息和数据。控制单元50可以布置成使用这种信息和数据来计算目标30的位置和旋转方位。然后，可以对目标30的此位置和旋转方位进行转换以计算对象的位置和旋转方位。控制单元50还可以布置成理解对象随时间的期望或正确的位置，并且，如果对象的位置或旋转方位不正确，则控制单元50可以通过有线或无线信号向控制对象的位置和旋转方位的机构发送信息和数据，从而校正对象的位置和旋转方位。在对象是附在机器人臂端部的焊接头的示例中，控制单元50可以包括在由焊接头随时间形成的焊道的期望位置和方位的数据和信息。如果焊接头的实时位置和旋转方位与焊道的期望位置和方向不符，控制单元50可以向控制机器人臂的机构发送信号，以调整焊接头的位置和/或旋转方位，以与焊道的期望位置和方向相符。

以下公开了利用上述系统10和部件来计算对象的位置和旋转方位的六个自由度的方法。首先，目标30固定在将所跟踪的对象上。在一个示例中，对象是制造机器人(例如设计用来在汽车装配线上焊接精密金属接缝的机器人)的手臂。随着汽车设计和制造工艺的进步，汽车制造商对焊接机器人的精确定位的要求越来越高。因此，对焊接机器人进行跟踪并校正其定位和旋转定位的误差的任务就显得尤为重要。将目标30固定到待跟踪的对象上，从而使得其反射元件60以及第一和第二发光装置(90、100)暴露于系统10的其他部件(例如激光单元20和照相机单元40)。

将激光单元20固定在固定位置，并使激光单元20的激光束发射和检测功能定向并暴露于目标30。将照相机单元40固定在固定位置，并使照相机单元40的图像接收功能定向并暴露于目标30。在对象移动的预期中，激光单元20朝向目标30发射出射激光束130。激光单元20和目标30布置成使得伺服电机保持反射元件60的表面大致垂直于激光束130的路径。这样的布置可以称为“活动目标”。反射元件60将入射激光束130反射回激光单元20，激光单元20在那里检测到入射激光束130。第一和第二发光装置(90、100)在照相机单元40的视场120内发射光，并且照相机单元40检测到该光。

在这些过程中，系统10一直在收集信息和数据。例如，系统10持续从激光单元20的伺服马达和/或编码器收集实时信息和数据，以用于确定激光单元20围绕方位轴和仰角轴的旋转。系统10收集出射和入射激光束130的实时信息和数据，用于计算激光单元20与目标30之间的距离。激光束130可以通过诸如脉冲激光配置、飞行脉冲的重复时间、激光束的相位/强度调制等技术来产生信息和数据。系统10持续从目标30的伺服马达和/或编码器收集实时信息和数据，以用于确定目标30围绕方位轴和仰角轴的旋转。系统10持续从陀螺仪80收集实时信息和数据，以用于确定目标30围绕横摇轴的旋转。最后，系统10持续收集关于第一和第二发光装置(90、100)的位置的信息和数据，以用于精炼和确认目标30绕横摇轴的旋转。

关于目标30绕横摇轴旋转的确定，可以理解，系统10可以同时使用来自陀螺仪80以及由照相机单元40捕获的第一和第二发光装置(90、100)的信息和数据，从而确定目标30绕横摇轴的旋转方位。在一种示例性方法中，系统10使用由陀螺仪80收集的信息和数据持续计算目标30绕横摇轴的旋转。然而，系统10基于从第一和第二发光装置(90、100)发射的光，使用由照相机单元40收集的信息和数据，周期性地计算关于目标30绕横摇轴的旋转的旋转。然后，系统10使用计算出的绕横摇轴的旋转来调整或“归零”陀螺仪80从而校正漂移，从而精确计算对象的位置和旋转方位。在这样的示例中，照相机单元40可以是大约12赫兹的照相机单元，该照相机单元每秒收集几次信息和数据，并且系统10每秒应用该信息和数据几次，以确保对象的位置和旋转方位的精准和精确计算。在另一示例中，照相机单元40可以是大约100赫兹，其从第一和第二发光装置(90、100)和照相机单元40产生更快速的反馈，以精确地计算对象的位置和方位。

如本文所述，一旦系统10精确地计算出对象的位置和旋转方位，系统就可以向控制对象运动的机构提供反馈。再看一个机器人焊接臂的例子，焊接头可以固定在焊接臂的端部。目标30可附接在焊接头附近，使得目标30的位置和旋转方向可以关联或转换为焊接头的位置和旋转方向。系统10可以提供信息和数据，这些信息和数据定义了焊接头的位置以及在焊接过程的每次增量期间应如何定向。系统10可以与机器人焊接机器建立反馈链路或回路。当系统10计算焊接头的位置和方位时，系统10可以将该位置和方位与焊接头的最佳位置和方位进行比较。系统10可以向机器人焊接机器提供持续、实时的反馈(即焊接头在或者不在其应在的位置)，如果不在，则向机器人焊接机器提供实际位置和方位的差异以及最佳位置和方位的指示，以便机器人焊接机器进行适当的调整。

图5至图8示出了测量系统的其他实施例。图5和图6示出连接照相机单元40和控制单元50并将该组件固定到激光单元20的测量系统200的实施例。如图所示，与图1所示的系统10类似，系统200包括激光单元20、目标30、照相机单元40和控制单元50。通常，图5和图6的系统200的操作与图1的系统10的操作类似。然而，在图3和图4的系统200中，照相机单元40耦合到或以其他方式附接到激光单元20。激光单元20和照相机单元40沿着仰角轴彼此耦合。在一个实施例中，激光单元20和照相机单元40都可以固定到与仰角轴对齐的轴210上，使得激光单元20和照相机单元40围绕仰角轴一起移动。还应理解，当照相机单元40耦合到激光单元20时，激光单元20和照相机单元40也围绕方位轴一起移动。结果，照相机单元40的光轴和激光束130的路径本质上都指向目标30的反射元件60。因此，当“活动”目标30持续旋转和移动以使得反射元件60垂直于出射激光束130的路径时，发光装置(90和100)始终处于照相机单元40的视场120中。如将要理解的，通过这样的布置，由捕捉发光装置(90和100)的图像的照相机单元40生成的数据和信息将始终并持续地供给控制单元50，以用于确定对象的位置和方位。

图5和图6示出将照相机单元40和控制单元50连接到激光单元20的测量系统300的另一实施例。如图所示，与前述附图所示的系统10和系统200类似，系统300包括激光单元20、目标30、照相机单元40和控制单元50。通常，图7和图8的系统300的操作与系统10和系统200的操作类似。然而，在系统300中，照相机单元40直接耦合到或以其他方式附接到激光单元20。激光单元20和照相机单元40彼此耦合，使得照相机单元40的运动与激光单元20的运动同步。还应理解，当照相机单元40耦合到激光单元20时，激光单元20和照相机单元40一起移动。结果，照相机单元40的光轴和出射激光束130的路径本质上都指向目标30的反射元件60。因此，当“活动”目标30持续旋转和移动以使得反射元件60垂直于出射激光束130的路径时，发光装置(90和100)始终处于照相机单元40的视场120中。如将要理解的，通过这样的布置，由捕捉发光装置(90和100)的图像的照相机单元40生成的数据和信息将始终并持续地供给控制单元50，以用于确定对象的位置和方位。

图9-25示出了用于实时校正由陀螺仪漂移引起的旋转测量中的误差的新的布置和过程的其他实施例。这些新的布置和过程包括一个或多个水准仪。在一个示例中，该一个或多个水准仪可以是MEMS水准仪。水准仪通常非常精准，是使用陀螺仪以校正漂移的很好的补充物。如将要理解的，期望通过所有可能的运动范围(包括围绕横摇轴的360度旋转)来跟踪对象。例如，当在大型复杂组件上进行焊接操作时，机器人焊接头绕着横摇轴完全旋转360度是很常见的。

在对这些实施例和附图的描述中，将使用多个参考点来促进这种描述。例如，当讨论关于横摇轴的旋转运动时，为了简单起见，我们假设目标和对象仅围绕横摇轴旋转。即，目标和对象的旋转都在限定为纵倾轴和偏航轴的平面上。另外，参照重力的方向来描述目标和要跟踪的对象围绕横摇轴的旋转运动，重力的方向在这里将称为“重力矢量”，并用符号“g”表示，例如，如图9(透视图)和图10(前平面图)所示，目标810处于“初始”位置。如目标810的前俯视图所示，初始位置限定为穿过目标的“高度”的中心线(CL_v)与重力矢量g和偏航轴平行，穿过目标的“宽度”的中心线(CL_h)垂直于重力矢量g。CL_v和CL_h随后都将用作参考来描述目标810和对象围绕横摇轴的旋转。

如图9和10所示，在其初始位置，目标810将描述为相对于重力矢量g旋转0度。此外，为了便于进一步描述，将使用“顺时针”和“逆时针”的惯例。例如，在图11中，将目标810描述为相对于重力矢量g逆时针旋转25度，并且在图12中，将目标描述为相对于重力矢量g顺时针旋转25度。

参考图10-14，组件800可以包括固定在焊接头820上的目标810(为方便起见示意性地显示为方块)。如图9和10所示，目标810定位在初始位置。在操作期间，焊接头820和所附着的目标810可以绕横摇轴旋转。如前所述，在图11中，焊接头820和目标810已围绕横摇轴逆时针旋转约25度，并且在图12中，焊接头820和目标810已围绕横摇轴顺时针旋转约25度，两者旋转都相对于重力矢量g。类似地，如图13所示，焊接头820和目标810已围绕横摇轴顺时针旋转约135度，并且如图14所示，焊接头820和目标810已围绕横摇轴逆时针旋转约145度。对于所跟踪的对象绕着横摇轴旋转的范围的任何应用，为了完全跟踪对象的运动，多维测量系统必须布置成测量绕横摇轴的角旋转(这可以由陀螺仪完成)，并进一步校正随时间变化的陀螺仪。

用于校正陀螺仪漂移的一种方法包括在目标810中定位一个或多个水准仪。如将要详细描述的那样，一个或多个水准仪的定位和使用可以为陀螺仪漂移提供校正，而不考虑跟踪对象围绕横摇轴的旋转位置。图15示意性地示出三个水准仪910、920和930在目标810的主体内的定位。如图所示，所有三个水准仪910、920和930通常位于由偏航轴和纵倾轴限定的平面内，并且通常围绕横摇轴(即，围绕横摇轴大约相隔120度)对称定位。如将要理解的，水准仪包括在水准仪旋转时受重力作用的重量，并且每个水准仪均具有“零”方位，其中它与重力矢量g共线。如图15所示，当目标810处于初始位置时，第一水准仪910的定位使得该第一水准仪通常与重力矢量g共线(即，在其零方向上)，第二水准仪920定位为从其零方向围绕横摇轴顺时针方向约120度，并且第三水准仪930定位为从其零方向围绕横摇轴逆时针方向定位约120度。正如将要进一步讨论的那样，三个水准仪910、920和930相互协作，陀螺仪可以精确测量围绕横摇轴整个360度的旋转。

水准仪910、920和930的操作将参照围绕横摇轴的六个60度“旋转路径”进行讨论。如图15所示，第一旋转路径α₁限定为相对于重力矢量g顺时针30度和逆时针30度之间的路径；第二旋转路径α₂限定为相对于重力矢量g逆时针30度和逆时针90度之间的路径；第三旋转路径α₃限定为相对于重力矢量g逆时针90度和逆时针150度之间的路径；第四旋转路径α₄限定为相对于重力矢量g逆时针150度到逆时针210度(也就是顺时针150度)之间的路径；第五旋转路径α₅限定为相对于重力矢量g顺时针90度到顺时针150度之间的路径；第六旋转路径α₆限定为相对于重力矢量g顺时针30度到顺时针90度之间的路径。

水准仪通常具有至少60度的工作范围，并且可以包括大约70度的工作范围。术语“工作范围”是指在水准仪相对于重力矢量g顺时针或逆时针旋转不超过其工作范围一半时，水准仪提供旋转方位的有效读数的旋转范围。对于工作范围为60度的水准仪，当它相对于重力矢量g在顺时针30度到逆时针30度之间旋转时，它可以提供有效的旋转方位。对于工作范围为70度的水准仪，当它相对于重力矢量g在顺时针35度到逆时针35度之间旋转时，它可以提供有效的旋转方位。

参考图15-17，应当理解，当目标810通过第一旋转路径α₁旋转(即，相对于重力矢量g，在顺时针30度和逆时针30度之间)时，第一水准仪910(假设工作范围为60度)可以确定目标关于横摇轴的旋转方位。例如，如图16和17所示，当目标逆时针旋转25度(也如图11所示)或顺时针旋转25度(也如图12所示)时，第一水准仪910可确定目标的旋转方向实际上分别为逆时针25度和顺时针25度。还应理解，当目标810相对于重力矢量g顺时针旋转30度或逆时针旋转30度以上时，第一水准仪910可能失效，因为它超出了其工作范围。然而，如图18和19所示，当目标810顺时针或逆时针旋转超过150度(第四旋转路径α₄)时，第一水准仪910再次定位在其工作范围内，即其零方向在重力矢量g的30度旋转范围内。例如，在图18中，目标810已从初始位置逆时针旋转了155度，这将第一水准仪910定位在其零方向的30度之内。因此，第一水准仪910可以确定目标的旋转方位实际上是从其初始位置逆时针155度。在图19中，目标810已从初始位置顺时针旋转了155度，这将第一水准仪910定位在其零方向的30度之内。因此，第一水准仪910可以确定目标的旋转实际上是从其初始位置顺时针155度。从提供的关于第一水准仪910的两个示例中，可以理解，对于本文所述的水准仪，存在两个旋转路径，其中水准仪的60度工作范围有效地确定旋转方向，并且这两个旋转路径通常沿着围绕横摇轴的整个360度的行进路径彼此相对(即，对于第一水准仪910，其工作范围在旋转路径α₁和α₄中有效)。

如将要理解的，对于第二水准仪920和第三水准仪930，存在两个旋转路径，其水准仪的工作范围对这两个旋转路径有效。如图20所示，当目标810在逆时针30度至90度之间旋转(旋转路径α₆)时，第二水准仪920的工作范围有效，并且第二水准仪920可以确定目标810围绕横摇轴的旋转方位。如图21所示，当目标810在顺时针90度至150度之间旋转(旋转路径α₃)时，第二水准仪920的工作范围同样有效，并且第二水准仪920可以确定目标810围绕横摇轴的旋转。

如图22所示，当目标810在顺时针30度至90度之间旋转(旋转路径α₂)时，第三水准仪930的工作范围有效，并且第三水准仪930可以确定目标810围绕横摇轴的旋转。如图23所示，当目标810在逆时针90度至150度之间旋转(旋转路径α₅)时，第三水准仪930的工作范围同样有效，并且第三水准仪930可以确定目标810围绕横摇轴的旋转。

图24示出了目标的将三个水准仪合并到目标的主体中的另一个实施例。第一水准仪910位于与图15-23所示相同的位置。第二水准仪920定位为与第一水准仪910在顺时针方向成约60度，第三水准仪930定位为与第一水准仪910在逆时针方向成约60度。在这种布置中，第一水准仪910的工作范围在旋转路径α₁和α₄中有效，第二水准仪920的工作范围在旋转路径α₂和α₅中有效，并且第三水准仪930的工作范围在旋转路径α₃和α₆中有效。

如果跟踪系统的操作要求是令要跟踪的对象绕横摇轴的行进小于整个360度，那么系统可以布置有少于三个水准仪。例如，在一个实施例中，如果要跟踪的对象不会围绕横摇轴旋转超过60度，则只能使用一个水准仪。如图25所示，一个水准仪910定位在目标中，并且可以确定目标相对于重力矢量g从逆时针30度到顺时针30度的旋转位置(如图25中的旋转路径α₇所示)。例如，在另一实施例中，如果要跟踪的对象不会围绕横摇轴旋转超过120度，则使用两个水准仪。如图26所示，第一水准仪910和第二水准仪920定位在目标中，并且可以确定目标相对于重力矢量g从逆时针60度到顺时针60度的旋转位置(在图26中示出为旋转路径α₈和α₉)。

为了使多维测量系统能够正确地确定绕横摇轴的旋转，系统必须能够区分水准仪工作范围有效的两个旋转路径。在一个示例中，系统可以通过密切跟踪目标随时间的旋转运动来进行这种区分。例如，当目标绕横摇轴旋转时，系统可以以短时间离散增量确定并存储旋转位置的数据。系统可以将每个新确定和存储的数据点与以前的数据点进行比较，并确定运动是顺时针还是逆时针，或者旋转运动是否从顺时针改变为逆时针，反之亦然。

参考图15，当目标接近第一水准仪910的工作范围边缘(即，旋转路径α₁的边缘)时，如果目标以顺时针方式旋转，则一旦系统检测到来自第三水准仪930的有效读数，该系统可以确定目标处于旋转路径α₂，而不是旋转路径α₅。类似地，如果目标以逆时针方式旋转，当目标接近第一水准仪910的工作范围边缘(即旋转路径α₁的边缘)，一旦系统检测到来自第二水准仪920的有效读数，系统可以确定目标处于旋转路径α₆而不是旋转路径α₃。可以理解的是，该系统能持续跟踪目标在其绕横摇轴整个360度角旋转时的旋转方位，并动态确定目标所依赖的合适水准仪以及确定目标通过的、确定目标的绕横摇轴的精确旋转位置、进而确定要跟踪对象的绕横摇轴的精确旋转位置的旋转路径(α₁-α₆)。

如前所述，水准仪的工作范围可以大于60度。在一个示例中，工作范围大约为70度。系统可使用附加工作范围来确定所依赖的水准仪，以及两个旋转路径中的哪一个是正确的旋转路径。对于图15和/或图24所示的布置，应当理解，附加工作范围可以在相邻旋转路径(α₁到α₆)之间产生大约10度的重叠。系统可在确定适当的水准仪时考虑这种重叠，以确定绕横摇轴的精确旋转位置。参考图15，如果目标以顺时针方式旋转，当目标接近第一水准仪910的工作范围的边缘(即，旋转路径α₁的边缘)时，系统还检测到来自第三水准仪930的有效读数。因此，当目标继续顺时针旋转时，系统可以确定目标处于旋转路径α₂而不是旋转路径α₅。类似地，如果目标以逆时针方式旋转，当目标接近第一水准仪910的工作范围的边缘(即，旋转路径α₁的边缘)时，系统还检测到来自第二水准仪920的有效读数。因此，当目标继续逆时针旋转时，系统可以确定目标处于旋转路径α₆而不是旋转路径α₃。可以理解的是，该系统能持续跟踪目标在其绕横摇轴整个360度角旋转时的旋转方位，并动态确定目标所依赖的合适水准仪以及目标通过的、确定目标的绕横摇轴的精确旋转位置进而确定要跟踪对象的绕横摇轴的精确旋转位置的合适的旋转路径。

在另一实施例中，发光装置和照相机可用于识别在确定目标围绕横摇轴的旋转方向时要依赖的合适水准仪和旋转路径。如前所述，照相机可以捕捉目标的图像，包括用于确定目标的旋转方位的发光装置。应当理解，系统可以使用相机生成的信息和数据来确定目标随时间的总体旋转方位，并使用这些信息来确定要依赖的合适的水准仪和旋转路径。如果水准仪提供比从照相机生成的信息和数据中确定的读数更精确的读数，则这种方法可以更精确地确定目标围绕横摇轴的旋转方位，从而确定所跟踪的对象围绕横摇轴的旋转方位。

虽然本文描述并示出了示例性多维测量系统的许多实施例，但示例并非详尽无遗。多维测量系统的部件可以以任意方式和组合布置。然而，在要考虑从发光装置导出的数据和信息以确定目标绕横摇轴的旋转并由此确定目标的位置和方位的任何布置中，当要考虑数据和信息时，与目标相关联的发光装置应在照相机单元的视场内。

为了说明和描述的目的，提供了上述示例的描述。它并不打算详尽无遗或仅限于所描述的形式。根据以上的教导，许多修改是可能的。其中一些技术上的修改将被其他技术人员理解。选择和描述这些示例是为了最好地说明适合于所设想的特定用途的各种示例的原理。当然，范围不限于本文所述的示例，而是本领域技术人员可以将其应用于任何数量的应用和等效装置中。

Claims (29)

1.用于确定对象的位置和方位的系统，包括：

激光单元，包括：

激光发射装置；以及

激光检测装置；

目标，所述目标耦合到对象，所述目标包括：

反射元件；

陀螺仪；

第一发光装置；以及

第二发光装置；

照相机单元；以及

控制单元。

2.根据权利要求1所述的系统，其中：

激光单元进一步包括：

第一旋转装置，所述第一旋转装置使激光单元绕仰角轴旋转；

第二旋转装置，所述第二旋转装置使激光单元绕方位轴旋转；

第一角度检测装置，所述第一角度检测装置测量激光单元绕仰角轴的旋转；以及

第二角度检测装置，所述第二角度检测装置测量激光单元绕方位轴的旋转；以及

目标进一步包括：

第三旋转装置，所述第三旋转装置使目标绕纵倾轴旋转；

第四旋转装置，所述第四旋转装置使目标绕偏航轴旋转；

第五旋转装置，所述第五旋转装置使目标绕横摇轴旋转；

第三角度检测装置，所述第三角度检测装置测量目标绕俯仰轴的旋转；以及

第四角度检测装置，所述第四角度检测装置测量目标绕偏航轴的旋转。

3.根据权利要求2所述的系统，其中陀螺仪布置为测量目标绕横摇轴的旋转。

4.根据权利要求3所述的系统，其中照相机单元布置为捕捉从第一发光装置和第二发光装置发射的光。

5.根据权利要求4所述的系统，其中控制单元布置为从激光单元、目标以及照相机单元接收数据和信息。

6.根据权利要求5所述的系统，其中控制单元布置为限定目标绕横摇轴的旋转。

7.根据权利要求6所述的系统，其中控制单元布置为由从激光单元、目标以及照相机单元接收的信息来确定对象的位置和方位。

8.根据权利要求7所述的系统，其中对象绕横摇轴的方位由陀螺仪测量到的数据和信息，以及照相机单元捕捉的从第一发光装置和第二发光装置发射的光的数据和信息来确定。

9.根据权利要求1所述的系统，其中系统进一步包括第一轴和第二轴。

10.根据权利要求9所述的系统，其中第一轴沿着激光单元的仰角轴定位，并将激光单元耦合到照相机单元。

11.根据权利要求9所述的系统，其中第二轴沿着目标的纵倾轴定位。

12.根据权利要求11所述的系统，其中反射元件、陀螺仪、第一发光装置和第二发光装置均耦合到第二轴。

13.根据权利要求12所述的系统，其中第一发光装置耦合靠近第二轴的第一端部，并且第二发光装置耦合靠近第二轴的第二端部。

14.根据权利要求13所述的系统，其中第一发光装置和第二发光装置均是发光二极管。

15.根据权利要求1所述的系统，其中控制单元与激光单元、目标以及照相机单元无线通信。

16.根据权利要求1所述的系统，其中控制单元布置为发送带信息和数据的信号以调节对象的位置和方位。

17.根据权利要求1所述的系统，其中激光发射装置朝向反射元件发射激光束，并且激光检测装置检测从反射元件反射的激光束。

18.根据权利要求1所述的系统，其中目标布置为使得反射元件始终与从激光发射装置发射的激光束垂直。

19.根据权利要求2所述的系统，其中第一旋转装置、第二旋转装置、第三旋转装置、第四旋转装置以及第五旋转装置是伺服电机。

20.根据权利要求2所述的系统，其中第一角度检测装置、第二角度检测装置、第三角度检测装置以及第四角度检测装置是编码器。

21.一种用于确定对象的位置和方位的系统，包括：

激光单元，包括：

激光发射装置；以及

激光检测装置；

目标，所述目标耦合到对象，所述目标包括：

反射元件；

陀螺仪；

至少一个水准仪；以及

控制单元。

22.根据权利要求21所述的系统，其中：

激光单元进一步包括：

第一旋转装置，所述第一旋转装置使激光单元绕仰角轴旋转；

第二旋转装置，所述第二旋转装置使激光单元绕方位轴旋转；

第一角度检测装置，所述第一角度检测装置测量激光单元绕仰角轴的旋转；以及

第二角度检测装置，所述第二角度检测装置测量激光单元绕方位轴的旋转；以及

目标进一步包括：

第三旋转装置，所述第三旋转装置使目标绕纵倾轴旋转；

第四旋转装置，所述第四旋转装置使目标绕偏航轴旋转；

第五旋转装置，所述第五旋转装置使目标绕横摇轴旋转；

第三角度检测装置，所述第三角度检测装置测量目标绕纵倾轴的旋转；以及

第四角度检测装置，所述第四角度检测装置测量激光单元绕偏航轴的旋转。

23.根据权利要求22所述的系统，其中陀螺仪布置为测量目标绕横摇轴的旋转。

24.根据权利要求23所述的系统，其中至少一个水准仪布置为测量目标绕横摇轴的旋转。

25.根据权利要求24所述的系统，其中控制单元布置为从激光单元以及目标接收数据和信息。

26.根据权利要求25所述的系统，其中对象绕横摇轴的方位由陀螺仪测量到的数据和信息，以及由至少一个水准仪测量捕捉的数据和信息来确定。

27.根据权利要求26所述的系统，其中至少一个水准仪包括第一水准仪和第二水准仪，其中第一水准仪和第二水准仪绕横摇轴彼此间隔开。

28.根据权利要求26所述的系统，其中至少一个水准仪包括第一水准仪、第二水准仪和第三水准仪，其中第一水准仪、第二水准仪和第三水准仪绕横摇轴彼此适当地间隔开。

29.根据权利要求28所述的系统，其中所述系统布置成在确定目标相对于横摇轴的方位时，确定将依赖于第一、第二或第三水准仪中的哪一个。

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