CN115598654B - 基于反向跟踪的测量方法和测量系统 - Google Patents

Abstract

本公开描述一种基于反向跟踪的测量方法和测量系统，该测量方法是利用具有激光发射单元的激光跟踪仪和设置于目标的并具有可旋转的靶标的探头以获得目标的位置和姿态的测量方法，测量方法包括：获取靶标的位置坐标，在探头中，分别沿两个方向旋转靶标以使靶标对准激光发射单元，基于靶标的旋转角度和目标的部分欧拉角计算目标的其他的欧拉角。在这种情况下，靶标能够沿两个方向旋转后对准激光发射单元以实现反向跟踪，并且能够基于靶标的旋转角度和目标的部分欧拉角计算目标的其他欧拉角，不仅能够扩大靶标的可接收的角度范围，还能够降低靶标控制成本。

Description

基于反向跟踪的测量方法和测量系统

技术领域

本发明涉及智能制造装备产业，具体涉及一种基于反向跟踪的测量方法和测量系统。

背景技术

在精密工业以及测量领域，人们对设备进行装配的时候，经常需要利用精密仪器对组装的目标物进行测试以提高装配精度，在完成设备的装配后，也需要对机器进行校准。在对目标物或者目标物上的某个目标点进行三维坐标测量时，还需要对它们的姿态进行测量，因此需要一种能够同时测量目标的三维坐标和姿态的姿态检测装置。

常用的姿态检测装置包括用于发射和接收激光束的跟踪头以及设置在工件的并用于反射激光束的探头，利用激光束测量探头的三维坐标，并利用设置在探头上的光源获取探头的姿态。然而，在工件的姿态发生变化的过程中，激光束可能超出探头的可接收的角度范围（一般为正负45°），导致探头的反射镜无法接收到激光束，进而影响测量结果。

为此，现有技术公开了一种令探头主动地跟踪（也即反向跟踪）跟踪头的姿态检测装置。例如，公开号为CN112424563A的中国专利公开了一种用于精确计算动态对象的位置和方位的多维测量系统，利用目标（也即探头）主动地跟踪激光束单元（也即跟踪头），通过改变探头的姿态以扩大反射元件的可接收的角度范围。

然而该专利所涉及的方案中，在计算对象的位置和姿态时，需要使目标分别绕纵倾轴、偏航轴和横摇轴三个旋转轴进行旋转，目标的控制成本较高。

发明内容

本公开是有鉴于上述的状况而提出的，其目的在于提供一种能够基于靶标的旋转角度和目标的部分欧拉角计算目标的欧拉角，不仅能够扩大靶标的可接收的角度范围，还能够降低靶标控制成本的基于反向跟踪的测量方法和测量系统。

为此，本公开的第一方面提供了一种基于反向跟踪的测量方法，是利用具有激光发射单元的激光跟踪仪和设置于目标的并具有可旋转的靶标的探头以获得所述目标的位置和姿态的测量方法，所述测量方法包括：获取所述靶标相对于所述激光跟踪仪的位置，在所述探头中，分别沿两个方向旋转所述靶标以使所述靶标对准所述激光发射单元，基于所述激光跟踪仪的位置和所述靶标沿两个方向的旋转角度计算目标的欧拉角。

在这种情况下，令靶标对准激光发射单元，能够实现靶标反向跟踪，进而能够扩大探头所能够接收的激光束的入射角度的范围。由于探头设置于目标，能够利用靶标相对于激光跟踪仪的位置确定目标的位置，由于沿两个方向旋转靶标以使靶标对准激光发射单元，计算靶标沿两个方向的旋转角度能够控制靶标对准激光发射单元，相对于现有的需要控制靶标沿三个方向旋转靶标的方法，能够减少降低靶标的控制成本，靶标对准激光发射单元后，能够利用激光束的方向向量计算出目标的欧拉角。

另外，在本公开的第一方面所涉及的测量方法中，可选地，在所述激光跟踪仪中，控制所述激光发射单元发射出的激光束沿第一方向旋转和沿第二方向旋转以改变所述激光发射单元发射出的激光束的方向，令所述激光发射单元发射出的激光束对准所述靶标，并接收所述靶标反射的携带所述靶标的距离信息的激光束，基于携带所述靶标的距离信息的激光束和所述激光发射单元的旋转角度获得所述靶标相对于所述激光跟踪仪的位置。在这种情况下，能够获得靶标相对于激光跟踪仪的位置。

另外，在本公开的第一方面所涉及的测量方法中，可选地，通过初步捕获和精细瞄准以使所述激光发射单元发射出的激光束对准所述靶标，所述初步捕获为控制所述激光发射单元发射出的激光束沿所述第一方向旋转和沿所述第二方向旋转以使激光束靠近所述靶标直至所述靶标接收并反射所述激光发射单元发射出的激光束，所述精细瞄准为所述激光跟踪仪接收所述靶标反射的激光束后，控制所述激光发射单元发射出的激光束沿所述第一方向旋转和沿所述第二方向旋转以使激光束经过所述靶标的预设位置，所述预设位置为位于所述靶标的通孔。在这种情况下，即使激光束未达到靶标，激光跟踪仪未接收到靶标反射的激光束，激光发射单元发射出的激光束也能够通过初步捕获靠近靶标，直至靶标能够反射激光束至激光发射单元，同时能够判断激光发射单元发射出的激光束是否对准靶标。

另外，在本公开的第一方面所涉及的测量方法中，可选地，初步捕获包括：所述激光跟踪仪发射发散光束，利用设置于所述激光跟踪仪的目标捕获单元接收所述靶标反射的发散光束，基于所述靶标反射的发散光束在所述目标捕获单元形成的目标捕获光斑计算所述激光发射单元的姿态调整方式，控制所述激光发射单元发射出的激光束沿所述第一方向旋转和沿所述第二方向旋转以使激光束靠近所述靶标直至所述靶标接收并反射所述激光发射单元发射出的激光束。在这种情况下，激光跟踪仪发射的是发散光束，即使激光发射单元发射出的激光束未对准靶标，靶标能够容易地接收并反射到发散光束，目标捕获单元能够容易地接收到靶标反射的发散光束，同时，能够基于靶标反射的发散光束获取靶标的大致位置，从而能够控制激光发射单元旋转以使激光发射单元发射出的激光束靠近靶标。

另外，在本公开的第一方面所涉及的测量方法中，可选地，所述精细瞄准包括：利用设置于所述激光跟踪仪的第一位置传感单元接收所述靶标反射的激光束，基于所述靶标反射的激光束在所述第一位置传感单元形成的第一光斑计算所述激光发射单元的姿态调整方式，控制所述激光发射单元发射出的激光束沿所述第一方向旋转和沿所述第二方向旋转以使激光束经过所述预设位置。在这种情况下，由于第一位置传感单元接收靶标反射的激光束，因此能够以较高的精度控制激光发射单元发射出的激光束对准并实时跟踪靶标。

另外，在本公开的第一方面所涉及的测量方法中，可选地，利用设置于所述靶标的第二位置传感单元接收通过所述预设位置的激光束，基于所述靶标接收的激光束在所述第二位置传感单元的第二光斑计算靶标的姿态调整方式，控制所述靶标沿第三方向旋转和沿第四方向旋转以使所述靶标对准所述激光发射单元。在这种情况下，由于靶标对准激光发射单元后，激光发射单元发射出的激光束垂直入射靶标，也即与第二位置传感单元垂直，能够利用靶标的旋转角度便捷地表示激光束在靶标坐标系的方向向量。

另外，在本公开的第一方面所涉及的测量方法中，可选地，计算目标的欧拉角包括：建立激光跟踪仪设备坐标系、目标坐标系和靶标坐标系，获取激光束在所述激光跟踪仪设备坐标系中的方向向量为设备激光束向量，获取所述激光跟踪仪设备坐标系和所述目标坐标系之间的变换关系，获取激光束在所述目标坐标系中的方向向量为目标激光束向量，获取激光束在所述靶标坐标系中的方向向量为靶标激光束向量，测量目标的横滚角和俯仰角，获取所述目标坐标系和所述靶标坐标系之间的变换关系，建立等式并计算目标的偏航角。在这种情况下，能够得到目标的欧拉角。

另外，在本公开的第一方面所涉及的测量方法中，可选地，利用设置于所述探头的倾角仪或加速度计获得所述目标的横滚角和俯仰角。由于固定底座设置于目标，与目标相对静止，测量固定底座相对于水平面的倾斜角度，也即目标相对于水平面的倾斜角度，也即目标的横滚角和俯仰角。

另外，在本公开的第一方面所涉及的测量方法中，可选地，利用设置于所述激光跟踪仪的第一重力对齐单元获取所述激光跟踪仪相对于水平面的倾斜角度为第一倾斜角度，基于所述第一倾斜角度获取所述激光跟踪仪设备坐标系和所述目标坐标系之间的变换关系；利用设置于所述探头的第二重力对齐单元获取所述探头相对于水平面的倾斜角度为第二倾斜角度，基于第二倾斜角度获取所述目标坐标系和所述靶标坐标系之间的变换关系；基于所述激光发射单元发射出的激光束的旋转角度获取所述设备激光束向量；基于所述激光跟踪仪设备坐标系和所述目标坐标系之间的变换关系和设备激光束向量获取所述目标激光束向量；基于所述靶标的旋转角度获取所述靶标激光束向量。在这种情况下，能够通过测量和计算获得等式中的除偏航角外的其他参数。

本公开的第二方面提供了一种基于反向跟踪的测量系统，包括：具有可旋转的激光发射单元的激光跟踪仪和设置于目标的并具有可沿两个方向旋转的靶标的探头，所述测量系统利用本公开第一方面所涉及的测量方法获得目标的位置和姿态。在这种情况下，令靶标对准激光发射单元，能够实现靶标反向跟踪，进而能够扩大探头所能够接收的激光束的入射角度的范围。由于探头设置于目标，能够利用靶标相对于激光跟踪仪的位置确定目标的位置，同时，获取靶标相对于激光跟踪仪的位置后，能够获得激光束在激光跟踪仪设备坐标系的方向向量，靶标对准激光发射单元后，能够根据靶标的旋转角度获得激光束在靶标坐标系中的方向向量，从而能够利用坐标变换的方式建立等式，由于目标的欧拉角和激光跟踪仪设备坐标系与靶标坐标系之间的变换关系相关联，因此能够基于等式计算出目标的欧拉角。

根据本公开，能够提供一种能够基于靶标的旋转角度和目标的部分欧拉角计算目标的欧拉角，不仅能够扩大靶标的可接收的角度范围，还能够降低靶标控制成本的基于反向跟踪的测量方法和测量系统。

附图说明

现在将仅通过参考附图的例子进一步详细地解释本公开的实施例。

图1是示出了本公开示例所涉及的基于反向跟踪的测量方法的应用场景示意图。

图2是示出了本公开示例所涉及的基于反向跟踪的测量方法的流程示意图。

图3是示出了本公开示例所涉及的获得激光发射单元发射出的激光束对准靶标的流程示意图。

图4是示出了本公开示例所涉及的激光跟踪仪的示意图。

图5a是示出了本公开示例所涉及的测量主机的内部光路的第一种实施例的结构示意图。

图5b是示出了本公开示例所涉及的测量主机的内部光路的第二种实施例的结构示意图。

图5c是示出了本公开示例所涉及的测量主机的内部光路的第三种实施例的结构示意图。

图6是示出了本公开示例所涉及的第一平面、第一方向、第一旋转轴线、第二平面、第二方向、第二旋转轴线的示意图。

图7是示出了本公开示例所涉及的激光跟踪仪设备坐标系的示意图。

图8是示出了本公开示例所涉及的初步捕获的流程示意图。

图9a是示出了本公开示例所涉及的一种实施例的初步捕获时的场景示意图。

图9b是示出了本公开示例所涉及的另一种实施例的初步捕获时的场景示意图。

图10是示出了本公开示例所涉及的初步捕获后的场景示意图。

图11是示出了本公开示例所涉及的精细瞄准的流程示意图。

图12是示出了本公开示例所涉及的精细瞄准时的场景示意图。

图13是示出了本公开示例所涉及的精细瞄准后的场景示意图。

图14是示出了本公开示例所涉及的探头的示意图。

图15是示出了本公开示例所涉及的探头的部分结构在图14中的O-O'位置的剖面示意图。

图16是示出了本公开示例所涉及的靶标的部分结构在图14中的O-O'位置的剖面示意图。

图17是示出了本公开示例所涉及的第三平面、第三方向、第三旋转轴线、第四平面、第四方向、第四旋转轴线的示意图。

图18是示出了本公开示例所涉及的靶标坐标系的示意图。

图19是示出了本公开示例所涉及的靶标对准激光发射单元的流程示意图。

图20是示出了本公开示例所涉及的靶标对准激光发射单元后的场景示意图。

图21是示出了本公开示例所涉及的计算目标的欧拉角的流程示意图。

图22是示出了本公开示例所涉及的靶标对准激光发射单元后的激光跟踪仪设备坐标系和靶标坐标系的示意图。

具体实施方式

以下，参考附图，详细地说明本公开的优选实施方式。在下面的说明中，对于相同的部件赋予相同的符号，省略重复的说明。另外，附图只是示意性的图，部件相互之间的尺寸的比例或者部件的形状等可以与实际的不同。

需要说明的是，本公开中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，例如所包括或所具有的一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可以包括或具有没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本公开所描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行，除非在此另有指示或者与上下文明显矛盾。

图1是示出了本公开示例所涉及的基于反向跟踪的测量方法的应用场景示意图。图2是示出了本公开示例所涉及的基于反向跟踪的测量方法的流程示意图。

本公开提出了一种基于反向跟踪的测量方法，是用于测量目标的位置和姿态的测量方法。在一些示例中，参见图1，基于反向跟踪的测量方法可以利用激光跟踪仪1和探头2获得目标的位置和姿态。在一些示例中，基于反向跟踪的测量方法也可以称为六维测量方法、获取目标的位置和取向的方法、或测量方法等。其中，目标的位置可以是目标相对于激光跟踪仪1的位置，目标的姿态可以通过目标的欧拉角表示。

在一些示例中，激光跟踪仪1可以具有可旋转的激光发射单元12（稍后描述），激光发射单元12能够发射激光束。在一些示例中，探头2可以设置于目标并具有可旋转的靶标21（稍后描述），靶标21可以将光束（例如激光束或发散光束）反射至激光跟踪仪1。

在一些示例中，参见图2，基于反向跟踪的测量方法可以包括：获取靶标21相对于激光跟踪仪1的位置（步骤S100），令靶标21对准激光发射单元12（步骤S300），计算目标的欧拉角（步骤S500）。在这种情况下，令靶标21对准激光发射单元12，能够实现靶标21反向跟踪，进而能够扩大探头2所能够接收的激光束的入射角度的范围。由于探头2设置于目标，能够利用靶标21相对于激光跟踪仪1的位置确定目标的位置，同时，获取靶标21相对于激光跟踪仪1的位置后，能够获得激光束在激光跟踪仪设备坐标系的方向向量，靶标21对准激光发射单元12后，能够根据靶标21的旋转角度获得激光束在靶标坐标系中的方向向量，从而能够利用坐标变换的方式建立等式，由于目标的欧拉角和激光跟踪仪设备坐标系与靶标坐标系之间的变换关系相关联，因此能够基于等式计算出目标的欧拉角。

图3是示出了本公开示例所涉及的获得激光发射单元12发射出的激光束对准靶标21的流程示意图。

在一些示例中，在步骤S100中，可以获得靶标21相对于激光跟踪仪1的位置。在一些示例中，可以令激光发射单元12发射出的激光束对准靶标21，并基于靶标21反射的激光束获得靶标21相对于激光跟踪仪1的位置。

在一些示例中，靶标21相对于激光跟踪仪1的位置可以包括方向信息和距离信息。靶标21相对于激光跟踪仪1的方向信息可以是指靶标21相对于激光跟踪仪1的方位角，靶标21相对于激光跟踪仪1的距离信息可以是指靶标21与激光跟踪仪1之间的距离。具体而言，靶标21相对于激光跟踪仪1的方位角可以是指靶标坐标系的原点OT在激光跟踪仪设备坐标系中的方位角，靶标21与激光跟踪仪1之间的距离可以是指靶标坐标系的原点OT与激光跟踪仪设备坐标系的原点OL之间的距离。

在一些示例中，利用靶标21相对于激光跟踪仪1的位置可以获得目标的位置。在另外一些示例中，也可以令靶标21相对于激光跟踪仪1的位置作为目标的位置。

在一些示例中，参见图3，获得靶标21相对于激光跟踪仪1的位置可以包括：初步捕获（步骤S110），精细瞄准（步骤S130）和计算靶标21位置（步骤S150）。

图4是示出了本公开示例所涉及的激光跟踪仪1的示意图。图5a是示出了本公开示例所涉及的测量主机11的内部光路的第一种实施例的结构示意图。图5b是示出了本公开示例所涉及的测量主机11的内部光路的第二种实施例的结构示意图。图5c是示出了本公开示例所涉及的测量主机11的内部光路的第三种实施例的结构示意图。图6是示出了本公开示例所涉及的第一平面S1、第一方向D1、第一旋转轴线A1、第二平面S2、第二方向D2、第二旋转轴线A2的示意图。图7是示出了本公开示例所涉及的激光跟踪仪设备坐标系的示意图。

在一些示例中，参见图4、图5a、图5b和图5c，激光跟踪仪1可以包括测量主机11，测量主机11可以包括壳体和配置为容纳部件的空腔。在一些示例中，空腔可以是通过壳体所形成的内部腔室。在这种情况下，能够利用壳体保护部件。在一些示例中，参见图5a、图5b和图5c，设置于内部腔室的部件可以包括激光发射单元12。在一些示例中，激光跟踪仪1可以利用激光发射单元12发射激光束。

在一些示例中，在激光跟踪仪1中，可以控制激光发射单元12沿第一方向D1旋转和沿第二方向D2旋转以改变激光发射单元12发射出的激光束的方向。在这种情况下，能够控制激光发射单元12的姿态以使激光发射单元12发射出的激光束对准靶标21。在一些示例中，激光发射单元12可以设置于测量主机11内，激光发射单元12可以与测量主机11联动，测量主机11的旋转角度也可以是激光发射单元12的旋转角度。由此，能够通过控制测量主机11的姿态以改变激光发射单元12发射出的激光束的方向。

在一些示例中，令激光发射单元12发射出的激光束对准靶标21后，可以接收靶标21反射的携带靶标21的距离信息的激光束，基于携带靶标21的距离信息的激光束和激光发射单元12发射出的激光束的旋转角度获得靶标21的位置。在这种情况下，能够获得靶标21的位置，也即获得靶标21相对于激光跟踪仪1的位置。

在一些示例中，参见图5a、图5b和图5c，在测量主机11中，还可以包括绝对测距模块113和干涉测距模块114，由于靶标21反射的激光束携带靶标21的距离信息，利用绝对测距模块113和干涉测距模块114能够分别基于绝对测距原理和干涉测距原理测量靶标21和激光跟踪仪1之间的距离，同时利用绝对测距模块113和干涉测距模块114配合测量靶标21和激光跟踪仪1之间的距离能够提高测量的精度，同时，相对于只用绝对测距模块113测量距离，干涉测距模块114具有更快的测距速度，因此还能够提高测量的速度。在一些示例中，参见图5a、图5b和图5c，绝对测距模块113所在的光路和干涉测距模块114所在的光路可以通过合束单元112进行耦合。

在一些示例中，参见图5a，绝对测距模块113所在的光路可以在合束单元112透射并射出测量主机11，干涉测距模块114所在的光路可以在合束单元112反射并射出测量主机11。但本公开不限于此，参见图5b，绝对测距模块113所在的光路可以在合束单元112反射并射出测量主机11，干涉测距模块114所在的光路可以在合束单元112透射并射出测量主机11。

在一些示例中，激光束可以从窗口片115射出。在一些示例中，在激光跟踪仪1中，激光发射单元12和测量主机11可以通过旋转以调整激光的射出方向。在一些示例中，激光发射单元12发射出的激光束可能会发生折射或反射，此时，激光发射单元12对准靶标21可以是指激光发射单元12发射的激光束对准靶标21，激光发射单元12进行旋转可以是指激光发射单元12发射出的激光束进行旋转。

具体而言，参见图6，激光发射单元12沿第一方向D1旋转可以是指激光发射单元12（或激光发射单元12发射出的激光束）在第一平面S1内旋转，第一平面S1与第一旋转轴线A1垂直，此时激光发射单元12（或激光发射单元12发射出的激光束）可以绕第一旋转轴线A1进行旋转。激光发射单元12沿第二方向D2旋转可以是指激光发射单元12发射出的激光束在第二平面S2内旋转，第二平面S2与第二旋转轴线A2垂直，此时激光发射单元12（或激光发射单元12发射出的激光束）可以绕第二旋转轴线A2进行旋转。第一旋转轴线A1与第二旋转轴线A2垂直且相交。在一些示例中，第一平面S1可以是水平面，第一方向D1可以是水平方向，第二平面S2可以是竖直面，第二方向D2可以是俯仰方向。

在一些示例中，参见图7，激光跟踪仪设备坐标系可以是以第一旋转轴线A1与第二旋转轴线A2的交点为原点OL，以第一旋转轴线A1的方向为ZL轴方向，以第二旋转轴线A2的方向为YL轴方向，以垂直于第一旋转轴线A1和第二旋转轴线A2的方向为XL轴方向的坐标系。

在一些示例中，可以通过初步捕获和精细瞄准以使激光发射单元12发射出的激光束对准靶标21。

在一些示例中，初步捕获可以为控制激光发射单元12（或激光发射单元12发射出的激光束）沿第一方向D1旋转和沿第二方向D2旋转以使激光束靠近靶标21直至靶标21接收并反射激光发射单元12发射出的激光束。在这种情况下，即使激光束未发射至靶标21，激光跟踪仪1未接收到靶标21反射的激光束，激光发射单元12发射出的激光束也能够靠近靶标21，直至靶标21能够反射激光束至激光发射单元12。

在一些示例中，精细瞄准可以为激光跟踪仪1接收靶标21反射的激光束后，控制激光发射单元12（或激光发射单元12发射出的激光束）沿第一方向D1旋转和沿第二方向D2旋转以使激光束经过靶标21的预设位置，预设位置可以为位于靶标21的通孔。在这种情况下，能够基于激光束是否经过通孔判断激光发射单元12发射出的激光束是否对准靶标21。

图8是示出了本公开示例所涉及的初步捕获的流程示意图。图9a是示出了本公开示例所涉及的一种实施例的初步捕获时的场景示意图。图9b是示出了本公开示例所涉及的另一种实施例的初步捕获时的场景示意图。图10是示出了本公开示例所涉及的初步捕获后的场景示意图。

在一些示例中，参见图5a、图5b和图5c，测量主机11可以包括发光单元14和目标捕获单元15，发光单元14和目标捕获单元15可以配合以实现初步捕获。

在一些示例中，测量主机11可以包括至少一个目标捕获单元15，参见图5c，测量主机11可以包括多个目标捕获单元15时，目标捕获单元15可以关于窗口片115对称设置。

在一些示例中，参见图8，初步捕获可以包括：激光跟踪仪1发射发散光束（步骤S111），利用设置于激光跟踪仪1的目标捕获单元15接收靶标21反射的发散光束（步骤S113），基于靶标21反射的发散光束在目标捕获单元15形成的目标捕获光斑计算激光发射单元12的姿态调整方式（步骤S115），控制激光发射单元12沿第一方向D1旋转和沿第二方向D2旋转以使激光束靠近靶标21直至靶标21接收并反射激光发射单元12发射出的激光束（步骤S117）。在这种情况下，由于激光跟踪仪1发射的是发散光束，照明范围较广，即使激光束未发射至靶标21，靶标21也能够容易地接收并反射发散光束，目标捕获单元15能够容易地接收到靶标21反射的发散光束，同时，能够基于靶标21反射的发散光束获取靶标21的大致位置，从而能够控制激光发射单元12旋转以使激光发射单元12发射出的激光束靠近靶标21。

在一些示例中，在步骤S111中，激光跟踪仪1可以发射发散光束。在一些示例中，发散光束可以利用测量主机11中的发光单元14射出，靶标21可以将发散光束以相反的方向反射回激光跟踪仪1。在一些示例中，激光跟踪仪1可以利用多个发光单元14发射发散光束。

在一些示例中，参见图9a，可以利用一个目标捕获单元15实现初步捕获。在一些示例中，参见图9b，也可以利用多个目标捕获单元15实现初步捕获，多个目标捕获单元15可以关于窗口片115对称设置。

在一些示例中，在步骤S113中，可以利用设置于激光跟踪仪1的目标捕获单元15接收靶标21反射的发散光束。在一些示例中，发散光束到达目标捕获单元15可以形成光斑，令发散光束在目标捕获单元15所形成的光斑为目标捕获光斑，基于目标捕获光斑和目标捕获零点之间的相对位置计算激光发射单元12的姿态调整方式，目标捕获零点可以位于激光发射单元12发射出的激光束对准靶标21时目标捕获光斑的位置。在一些示例中，目标捕获零点可以通过对激光跟踪仪1标定获得。另外，目标捕获光斑和目标捕获零点之间的相对位置可以是指目标捕获光斑相对于目标捕获零点的位置。

在一些示例中，在步骤S115中，可以基于靶标21反射的发散光束在目标捕获单元15形成的目标捕获光斑计算激光发射单元12的姿态调整方式。在一些示例中，激光发射单元12的姿态调整方式可以包括激光发射单元12（或激光发射单元12发射出的激光束）沿第一方向D1旋转的旋转角度和沿第二方向D2旋转的旋转角度。

在一些示例中，参见图10，在步骤S117中，可以控制激光发射单元12（或激光发射单元12发射出的激光束）沿第一方向D1旋转和沿第二方向D2旋转以使激光束靠近靶标21直至靶标21接收并反射激光发射单元12发射出的激光束。在这种情况下，通过初步捕获能够快速地调整激光发射单元12的姿态以使激光束靠近靶标21，并且，能够使靶标21接收到激光束，从而有利于执行精度更高的精细瞄准。

图11是示出了本公开示例所涉及的精细瞄准的流程示意图。图12是示出了本公开示例所涉及的精细瞄准时的场景示意图。图13是示出了本公开示例所涉及的精细瞄准后的场景示意图。

在一些示例中，参见图11，精细瞄准可以包括：利用设置于激光跟踪仪1的第一位置传感单元116接收靶标21反射的激光束（步骤S131），基于靶标21反射的激光束在第一位置传感单元116形成的第一光斑计算激光发射单元12的姿态调整方式（步骤S133），控制激光发射单元12（或激光发射单元12发射出的激光束）沿第一方向D1旋转和沿第二方向D2旋转以使激光束经过靶标21的预设位置（步骤S135）。在这种情况下，由于第一位置传感单元116接收靶标21反射的激光束，因此能够以较高的精度控制激光发射单元12发射出的激光束对准并实时跟踪靶标21，同时由于第一位置传感单元116具有较高的精确性和敏感性，也能够进一步提高控制的精度。

在一些示例中，参见图5a和图5c，测量主机11可以包括第一位置传感单元116，激光跟踪仪1接收靶标21反射的激光束后，激光束可以依次通过反射单元111和分光单元117到达第一位置传感单元116。

在一些示例中，参见图12，在步骤S131中，可以利用设置于激光跟踪仪1的第一位置传感单元116接收靶标21反射的激光束。在一些示例中，激光束到达第一位置传感单元116可以形成光斑，令激光束在第一位置传感单元116所形成的光斑为第一光斑，基于第一光斑和第一预设零点之间的相对位置计算激光发射单元12的姿态调整方式，第一预设零点可以位于激光发射单元12发射出的激光束对准靶标21时第一光斑的位置。第一光斑和第一预设零点之间的相对位置可以是指第一光斑相对于第一预设零点的位置。

在一些示例中，参见图13，在步骤S135中，可以控制激光发射单元12（或激光发射单元12发射出的激光束）沿第一方向D1旋转和沿第二方向D2旋转以使激光束经过靶标21的预设位置。在一些示例中，靶标21的预设位置可以顶点V的通孔，其中顶点V可以是指有切角的角锥棱镜在形成切角前的顶点V。在这种情况下，能够通过精细瞄准令激光发射单元12发射出的激光束对准靶标21，换言之，当激光束经过通孔，且第一光斑位于第一预设零点时，可以认为激光发射单元12发射出的激光束对准靶标21。

通过初步捕获和精细瞄准配合，能够令激光发射单元12发射出的激光束对准靶标21，相对于精细瞄准，由于初步捕获的精度受目标捕获单元15的对焦能力的限制，例如当靶标21与激光跟踪仪1之间的距离超过一定的范围时（例如靶标21与激光跟踪仪1的距离较远而导致目标捕获单元15无法对焦时），目标捕获单元15接收到的发散光束所形成的光斑的位置精度可能会下降，因此，相对于精细瞄准，初步捕获的对准的精度较低。同时，相对于精细瞄准，由于在初步捕获的过程中，发光单元14发射的是发散光束，靶标21能够容易地接收到发散光束，也即目标捕获单元15能够容易地接收到靶标21反射的发散光束，因此能够容易地实现初步捕获。在这种情况下，利用具有精度相对较低但实现条件比较宽松的初步捕获和精度相对较高但实现条件比较苛刻的精细瞄准配合实现激光发射单元12发射出的激光束对准靶标21，能够提高激光发射单元12的跟踪速度，令激光发射单元12快速地捕捉到靶标21，还能够令激光发射单元12发射出的激光束稳定地对准靶标21，提高测量的精度。

在另外一些示例中，也可以通过其他方式令激光发射单元12发射出的激光束对准靶标21，例如可以通过手动的方式改变激光发射单元12的姿态以使激光发射单元12发射出的激光束对准靶标21。

在一些示例中，在激光发射单元12发射出的激光束对准靶标21后，可以计算靶标21的位置。由于激光束对准靶标21，因此，靶标21相对于激光跟踪仪1的方向信息也可以是激光束在激光跟踪仪设备坐标系的方向向量。

在一些示例中，在步骤S150中，可以测量激光发射单元12、激光发射单元12发射出的激光束或测量主机11的沿第一方向D1的旋转角度和沿第二方向D2的旋转角度，并且可以利用测量激光发射单元12、激光发射单元12发射出的激光束或测量主机11的沿第一方向D1的旋转角度和沿第二方向D2的旋转角度表示激光束在激光跟踪仪设备坐标系中的方向向量，进而能够利用激光束在激光跟踪仪设备坐标系中的方向向量获得靶标21相对于激光跟踪仪1的方向信息，进而能够基于靶标21相对于激光跟踪仪1的方向信息和靶标21相对于激光跟踪仪1的距离信息配合计算靶标21在激光跟踪仪设备坐标系的坐标。

在一些示例中，激光束在激光跟踪仪设备坐标系中的方向向量可以满足公式：

其中，

表示激光束在激光跟踪仪设备坐标系的方向向量，

表示激光发射单元12、激光发射单元12发射出的激光束或测量主机11沿第二方向D2（例如俯仰方向）的旋转角度，

表示激光发射单元12、激光发射单元12发射出的激光束或测量主机11沿第一方向D1（例如水平方向）的旋转角度。

在一些示例中，可以利用上文所述的距离信息和方向信息计算获得靶标21在激光跟踪仪设备坐标系的坐标。

在另外一些示例中，也可以通过其他方式获得靶标21相对于激光跟踪仪1的位置，例如可以在探头2设置能够发射光的发光装置，并基于发光装置在图像中的位置确定靶标21相对于激光跟踪仪1的方向信息，也可以在探头2和激光跟踪仪1内设置定位组件并获得靶标21相对于激光跟踪仪1的位置。

图14是示出了本公开示例所涉及的探头2的示意图。图15是示出了本公开示例所涉及的探头2的部分结构在图14中的O-O'位置的剖面示意图。图16是示出了本公开示例所涉及的靶标21的部分结构在图14中的O-O'位置的剖面示意图。图17是示出了本公开示例所涉及的第三平面S3、第三方向D3、第三旋转轴线A3、第四平面S4、第四方向D4、第四旋转轴线A4的示意图。图18是示出了本公开示例所涉及的靶标坐标系的示意图。

在一些示例中，参见图14，探头2可以包括靶标21和将探头2安装于目标的固定底座22。

在一些示例中，参见图16，靶标21可以包括具有切口的反射镜2111，具有切口的反射镜2111可以是角锥棱镜或光学回射器。在这种情况下，能够将激光束以与入射方向相反的方向返回到激光跟踪仪1。

在一些示例中，具有切口的反射镜2111可以包括入射平面Si和切口平面Sc，切口平面Sc可以平行于入射平面Si，切口平面Sc可以是指形成该切口的切面，入射平面Si可以是指激光束入射至具有切口的反射镜2111的平面，入射平面Si垂直于具有切口的反射镜2111的光轴Ao。

在一些示例中，参见图16，通孔可以位于具有切口的反射镜2111的顶点V，激光束的至少一部分通过通孔后，能够在第二位置传感单元2131形成第二光斑。

在一些示例中，靶标21可以沿第三方向D3和第四方向D4旋转。在一些示例中，参见图17，靶标21沿第三方向D3旋转可以是指靶标21在第三平面S3内旋转，第三平面S3与第三旋转轴线A3垂直，此时靶标21可以绕第三旋转轴线A3进行旋转。靶标21沿第四方向D4旋转可以是指靶标21在第四平面S4内旋转，第四平面S4与第四旋转轴线A4垂直，此时靶标21可以绕第四旋转轴线A4进行旋转。

在一些示例中，参见图18，靶标坐标系可以是以第三旋转轴线A3与第四旋转轴线A4的交点为原点OT，以第三旋转轴线A3的方向为ZT轴方向，以第四旋转轴线A4的方向为YT轴方向，以垂直于第三旋转轴线A3和第四旋转轴线A4的方向为XT轴方向的坐标系。

图19是示出了本公开示例所涉及的靶标21对准激光发射单元12的流程示意图。图20是示出了本公开示例所涉及的靶标21对准激光发射单元12后的场景示意图。

在一些示例中，在步骤S300中，可以分别沿两个方向旋转靶标21以使靶标21对准激光发射单元12。由于沿两个方向旋转靶标21以使靶标21对准激光发射单元12，计算靶标21沿两个方向的旋转角度能够控制靶标21对准激光发射单元12，相对于现有的需要控制靶标21沿三个方向旋转靶标的方法，能够减少降低靶标的控制成本。在一些示例中，参见图19，靶标21对准激光发射单元12可以包括：利用设置于靶标21的第二位置传感单元2131接收通过预设位置的激光束（步骤S310），基于靶标21接收的激光束在第二位置传感单元2131的第二光斑计算靶标21的姿态调整方式（步骤S330），控制靶标21沿第三方向D3旋转和沿第四方向D4旋转以使靶标21对准激光发射单元12（步骤S350）。在这种情况下，能够令靶标21对准激光发射单元12，由于此时的激光束与入射平面Si和切口平面Sc垂直，靶标21对准激光发射单元12后，激光发射单元12发射出的激光束垂直入射靶标，也即与第二位置传感单元2131垂直，能够利用靶标21的旋转角度便捷地表示激光束在靶标坐标系的方向向量。

在一些示例中，参见图20，在步骤S310中，可以利用设置于靶标21的第二位置传感单元2131接收通过预设位置的激光束，激光束到达第二位置传感单元2131可以形成光斑，令激光束在第二位置传感单元2131所形成的光斑为第二光斑，基于第二光斑和第二预设零点之间的相对位置计算靶标21的姿态调整方式，第二预设零点可以位于靶标21对准激光发射单元12时第二光斑的位置。第二光斑和第二预设零点之间的相对位置可以是指第二光斑相对于第二预设零点的位置。当激光束经过通孔，且第二光斑位于第二预设零点时，可以认为靶标21对准激光发射单元12。

在一些示例中，在步骤S330中，靶标21的姿态调整方式可以包括靶标沿第三方向D3旋转的旋转角度和沿第四方向D4旋转的旋转角度。

图21是示出了本公开示例所涉及的计算目标的欧拉角的流程示意图。图22是示出了本公开示例所涉及的靶标21对准激光发射单元12后的激光跟踪仪设备坐标系和靶标坐标系的示意图。

在一些示例中，在步骤S500中，可以基于靶标21相对于激光跟踪仪1的位置、靶标21沿两个方向的旋转角度计算目标的其他的欧拉角（例如目标的偏航角）。具体而言，可以利用第二重力对齐单元26（参见图15）测量目标的横滚角和俯仰角，并基于靶标21的方向信息、靶标21的旋转角度、目标的横滚角和俯仰角计算目标的欧拉角。

在一些示例中，参见图21，计算目标的欧拉角可以包括：建立激光跟踪仪设备坐标系、目标坐标系和靶标坐标系（步骤S501），获取激光跟踪仪设备坐标系和目标坐标系之间的变换关系（步骤S503），获取激光束在激光跟踪仪设备坐标系的方向向量为设备激光束向量（步骤S505），获取激光束在目标坐标系中的方向向量为目标激光束向量（步骤S507），获取激光束在靶标坐标系中的方向向量为靶标激光束向量（步骤S509），测量目标的横滚角和俯仰角（步骤S511），获取目标坐标系和靶标坐标系之间的变换关系（步骤S513），建立等式并计算目标的偏航角（步骤S515）。在这种情况下，能够得到目标的欧拉角。需要说明的是，步骤的编号并不应作为步骤的顺序的限定，例如，步骤S505也可以在步骤S503之前执行。

在一些示例中，参见图7、图18和图22，可以利用上文所述的方式获得激光跟踪仪设备坐标系和靶标坐标系。在一些示例中，目标坐标系可以是基于重力方向建立的坐标系，例如，在目标坐标系的正交轴中，ZG轴可以与重力方向平行，XG轴和YG轴可以与重力方向垂直，目标坐标系的原点OG的位置可以与激光跟踪仪设备坐标系的原点OL的位置相同。

在一些示例中，在步骤S503中，可以利用设置于激光跟踪仪1的第一重力对齐单元获取激光跟踪仪1相对于水平面的倾斜角度为第一倾斜角度，并基于第一倾斜角度获取激光跟踪仪设备坐标系和目标坐标系之间的变换关系。具体而言，激光跟踪仪1可以包括用于测量激光跟踪仪1相对于水平面的倾斜角度的第一重力对齐单元，第一重力对齐单元可以设置于激光跟踪仪1的底座，第一重力对齐单元可以为倾角仪或加速度计，并包括两个互相正交的敏感轴，两个互相正交的敏感轴包括与第二旋转轴线A2平行的第一敏感轴和与第二旋转轴线A2垂直的第二敏感轴，第一敏感轴和第二敏感轴与第一旋转轴线A1垂直。

在一些示例中，由于激光跟踪仪1一般在设置前可以进行水平调整，并且在使用过程中激光跟踪仪1的姿态不会有太大的变化，因此第一重力对齐单元测量得到的第一倾斜角度较小，此时激光跟踪仪设备坐标系和目标坐标系之间的变换关系可以满足公式：

其中，

表示激光跟踪仪设备坐标系和目标坐标系之间的变换关系，a和b分别表示激光跟踪仪1在第一敏感轴和第二敏感轴上相对于水平面的倾斜角度并可以通过第一重力对齐单元获得。

在一些示例中，在步骤S505中，可以基于激光发射单元12的旋转角度获取设备激光束向量，设备激光束向量可以满足公式：

其中，

表示激光束在激光跟踪仪设备坐标系的方向向量，

表示激光发射单元12、激光发射单元12发射出的激光束或测量主机11沿第二方向D2（例如俯仰方向）的旋转角度，

表示激光发射单元12、激光发射单元12发射出的激光束或测量主机11沿第一方向D1（例如水平方向）的旋转角度。

在一些示例中，在步骤S507中，可以基于激光跟踪仪设备坐标系和目标坐标系之间的变换关系和设备激光束向量获取目标激光束向量，目标激光束向量可以满足公式：

其中，

表示目标激光束向量。

在一些示例中，在步骤S509中，可以基于靶标21的旋转角度获取靶标激光束向量，靶标激光束向量可以满足公式：

其中，

表示靶标激光束向量，

表示靶标21的沿第四方向D4的旋转角度，

表示靶标21的沿第三方向D3的旋转角度。

在一些示例中，在步骤S511中，可以利用设置于探头2的倾角仪或加速度计获得目标的横滚角和俯仰角。具体而言，参见图15，探头2可以包括用于测量固定底座22相对于水平面的倾斜角度的第二重力对齐单元26，第二重力对齐单元26可以为倾角仪或加速度计，并包括两个互相正交的敏感轴，两个互相正交的敏感轴包括与第四旋转轴线A4平行的第三敏感轴和与第四旋转轴线A4垂直的第四敏感轴，第三敏感轴和第四敏感轴与第三旋转轴线A3垂直。由于固定底座22设置于目标，与目标相对静止，第二重力对齐单元26能够测量固定底座22相对于水平面的倾斜角度，也即目标相对于水平面的倾斜角度，也即目标的横滚角和俯仰角。

在一些示例中，在步骤S513中，可以利用设置于探头2的第二重力对齐单元26获取探头2相对于水平面的倾斜角度为第二倾斜角度，并基于第二倾斜角度获取目标坐标系和靶标坐标系之间的变换关系。

在一些示例中，目标运动时，可以测量目标的角速度并利用目标的角速度和Kalman算法修正第二倾斜角度。具体而言，可以在固定底座22设置陀螺仪，并利用陀螺仪测量目标的角速度，并对第二倾斜角度进行修正。在这种情况下，能够提高第二倾斜角度的动态测量精度。

在一些示例中，目标坐标系和靶标坐标系之间的变换关系可以满足公式：

其中，

表示目标坐标系和靶标坐标系的变换关系，

和

分别表示目标的横滚角、偏航角和俯仰角，

表示与横滚角相关的旋转矩阵，

表示与俯仰角相关的旋转矩阵，

表示与偏航角相关的旋转矩阵。

在一些示例中，在步骤S515中，可以建立等式并计算目标的偏航角，等式可以为：

其中，除偏航角外，其他参数均可以通过测量和计算获得，因此能够基于等式并计算目标的偏航角，并最终得到目标的欧拉角。

本公开还涉及一种基于反向跟踪的测量系统，包括具有可旋转的激光发射单元12的激光跟踪仪1和设置于目标的并具有可沿两个方向旋转的靶标21的探头2，测量系统可以利用本公开所涉及的测量方法获得目标的位置和姿态。在这种情况下，令靶标21对准激光发射单元12，能够实现靶标21反向跟踪，进而能够扩大探头2所能够接收的激光束的入射角度的范围。由于探头2设置于目标，能够利用靶标21相对于激光跟踪仪1的位置确定目标的位置，同时，获取靶标21相对于激光跟踪仪1的位置后，能够获得激光束在激光跟踪仪设备坐标系的方向向量，靶标21对准激光发射单元12后，能够根据靶标21的旋转角度获得激光束在靶标坐标系中的方向向量，从而能够利用坐标变换的方式建立等式，由于目标的欧拉角和激光跟踪仪设备坐标系与靶标坐标系之间的变换关系相关联，因此能够基于等式计算出目标的欧拉角。

虽然以上结合附图和示例对本公开进行了具体说明，但是可以理解，上述说明不以任何形式限制本公开。本领域技术人员在不偏离本公开的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本公开进行变形和变化，这些变形和变化均落入本公开的范围内。

Claims (7)

1.一种基于反向跟踪的测量方法，是利用具有激光发射单元的激光跟踪仪和设置于目标的并具有可旋转的靶标的探头以获得所述目标的位置和姿态的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：首先，使得所述激光发射单元发射出的激光束对准所述靶标，获取所述靶标相对于所述激光跟踪仪的位置；其次，在所述探头中，分别沿两个方向旋转所述靶标以使所述靶标对准所述激光发射单元；然后，基于所述激光跟踪仪的位置和所述靶标沿两个方向的旋转角度计算所述目标的欧拉角，

在所述激光跟踪仪中，控制所述激光发射单元沿第一方向旋转和沿第二方向旋转以改变所述激光发射单元发射出的激光束的方向，令所述激光发射单元发射出的激光束对准所述靶标，并接收所述靶标反射的携带所述靶标的距离信息的激光束，基于携带所述靶标的距离信息的激光束和所述激光发射单元的旋转角度获得所述靶标相对于所述激光跟踪仪的位置，

通过初步捕获和精细瞄准以使所述激光发射单元发射出的激光束对准所述靶标，所述初步捕获为控制所述激光发射单元沿所述第一方向旋转和沿所述第二方向旋转以使激光束靠近所述靶标直至所述靶标接收并反射所述激光发射单元发射出的激光束，所述精细瞄准为所述激光跟踪仪接收所述靶标反射的激光束后，控制所述激光发射单元发射出的激光束沿所述第一方向旋转和沿所述第二方向旋转以使激光束经过所述靶标的预设位置，所述预设位置为位于所述靶标的通孔，

利用设置于所述靶标的第二位置传感单元接收通过所述预设位置的激光束，基于所述靶标接收的激光束在所述第二位置传感单元的第二光斑计算所述靶标的姿态调整方式，控制所述靶标沿第三方向旋转和沿第四方向旋转以使所述靶标对准所述激光发射单元，

所述靶标对准所述激光发射单元后，所述激光发射单元发射出的激光束垂直入射所述靶标，与所述第二位置传感单元垂直，利用所述靶标的旋转角度表示激光束在靶标坐标系的方向向量。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述初步捕获包括：所述激光跟踪仪发射发散光束，利用设置于所述激光跟踪仪的目标捕获单元接收所述靶标反射的发散光束，基于所述靶标反射的发散光束在所述目标捕获单元形成的目标捕获光斑计算所述激光发射单元的姿态调整方式，控制所述激光发射单元发射出的激光束沿所述第一方向旋转和沿所述第二方向旋转以使激光束靠近所述靶标直至所述靶标接收并反射所述激光发射单元发射出的激光束。

3.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述精细瞄准包括：利用设置于所述激光跟踪仪的第一位置传感单元接收所述靶标反射的激光束，基于所述靶标反射的激光束在所述第一位置传感单元形成的第一光斑计算所述激光发射单元的姿态调整方式，控制所述激光发射单元发射出的激光束沿所述第一方向旋转和沿所述第二方向旋转以使激光束经过所述预设位置。

4.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，计算所述目标的欧拉角包括：建立激光跟踪仪设备坐标系、目标坐标系和靶标坐标系，获取激光束在所述激光跟踪仪设备坐标系中的方向向量为设备激光束向量，获取所述激光跟踪仪设备坐标系和所述目标坐标系之间的变换关系，获取激光束在所述目标坐标系中的方向向量为目标激光束向量，获取激光束在所述靶标坐标系中的方向向量为靶标激光束向量，测量所述目标的横滚角和俯仰角，获取所述目标坐标系和所述靶标坐标系之间的变换关系，建立等式并计算所述目标的偏航角。

5.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，利用设置于所述探头的倾角仪或加速度计获得所述目标的横滚角和俯仰角。

6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，利用设置于所述激光跟踪仪的第一重力对齐单元获取所述激光跟踪仪相对于水平面的倾斜角度为第一倾斜角度，基于所述第一倾斜角度获取所述激光跟踪仪设备坐标系和所述目标坐标系之间的变换关系；利用设置于所述探头的第二重力对齐单元获取所述探头相对于水平面的倾斜角度为第二倾斜角度，基于所述第二倾斜角度获取所述目标坐标系和所述靶标坐标系之间的变换关系；基于所述激光发射单元发射出的激光束的旋转角度获取所述设备激光束向量；基于所述激光跟踪仪设备坐标系和所述目标坐标系之间的变换关系和所述设备激光束向量获取所述目标激光束向量；基于所述靶标的旋转角度获取所述靶标激光束向量。

7.一种基于反向跟踪的测量系统，包括：具有可旋转的激光发射单元的激光跟踪仪和设置于目标的并具有可沿两个方向旋转的靶标的探头，其特征在于，所述测量系统利用权利要求1至权利要求6中任一项所涉及的测量方法获得所述目标的位置和姿态。

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