CN218895749U - 主动反向跟踪的辅助测量装置 - Google Patents

Abstract

本公开描述了一种主动反向跟踪的辅助测量装置，是用于安装于目标并反射激光跟踪仪发射的光束的辅助测量装置，其特征在于，包括：靶标、位置传感单元、跟踪控制单元，靶标包括基准层、棱镜层以及在基准层和棱镜层之间的中间层，基准层包括配置为将激光跟踪仪发出的激光束或散射光束反射至激光跟踪仪的角锥棱镜，中间层包括设置于角锥棱镜的光轴的通孔，位置传感单元设置于基准层并配置为接收经过通孔的激光束以获得传感信息，跟踪控制单元配置为控制靶标的姿态以使靶标对准激光跟踪仪。由此，能够利用跟踪控制单元和位置传感单元实现靶标的反向跟踪，从而扩大辅助测量装置的可接收的角度范围。

Description

主动反向跟踪的辅助测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种智能制造装备产业，本公开具体涉及一种主动反向跟踪的辅助测量装置。

背景技术

在精密工业以及测量领域，人们在对进行装配的时候，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，在对完成装配后，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激光跟踪仪以及设置在工件的并用于反射激光束的反射器。然而，当工件的姿态发生变化的过程中，激光束可能超出反射器的可接收的角度范围(也即激光束在反射器的入射平面的入射角度的范围，一般为正负45°)，导致反射器无法接收到激光束，进而影响测量结果。

例如，申请为CN201510454938.5的专利公开了一种激光跟踪器、测量远程点的坐标的方法和坐标测量系统，坐标测量系统包括激光跟踪器和测量辅助物，测量辅助物能够在空间中移动并且包括回射器。然而，由于受到回射器的结构限制，当激光束与回射器的角度大于45°，会出现回射器无法接收激光束的情况，同时，由于测量辅助物未设置转动机构，无法令测量辅助物自动对准激光跟踪器，不利于坐标的测量。

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实现反向跟踪，从而扩大可接收的角度的辅助测量装置。

本公开提供了一种主动反向跟踪的辅助测量装置，是用于安装于目标并反射激光跟踪仪发射的光束的辅助测量装置，包括：靶标、位置传感单元、跟踪控制单元，所述靶标包括基准层、棱镜层以及在所述基准层和所述棱镜层之间的中间层，所述基准层包括配置为将所述激光跟踪仪发出的激光束或散射光束反射至所述激光跟踪仪的角锥棱镜，所述中间层包括设置于所述角锥棱镜的光轴的通孔，所述位置传感单元设置于所述基准层并配置为接收经过所述通孔的激光束以获得传感信息，所述跟踪控制单元配置为控制所述靶标的姿态以使所述靶标对准所述激光跟踪仪。

在这种情况下，能够基于激光束的至少一部分是否通过通孔以判定激光跟踪仪是否对准辅助测量装置，同时，至少一部分的激光束经过通孔后，能够在位置传感单元形成光斑，进而能够基于光斑的位置计算出靶标的调整方式，进而能够控制靶标的姿态，以使靶标对准激光跟踪仪或对准激光束，相对于没有设置跟踪控制单元的辅助测量装置，由于受到靶标中的反射镜的结构限制，当激光束与反射镜的入射平面大于45度，则会导致反射镜无法发射激光束，进而无法实现主动测量和跟踪，而设置跟踪控制单元，能够通过旋转靶标的方式弥补回射器的结构限制，扩大辅助测量装置的可接收的激光束的角度范围。

另外，在本公开的所涉及的辅助测量装置中，可选地，包括重力对齐单元和将所述辅助测量装置设置于所述目标的固定底座，所述重力对齐单元设置于所述固定底座并配置为测量所述固定底座相对于水平面的倾斜角度。在这种情况下，能够将激光束在激光跟踪仪设备坐标系中的方向向量和激光束在靶标坐标系中的方向向量相关联。

另外，在本公开的所涉及的辅助测量装置中，可选地，包括处理单元，所述处理单元与所述位置传感单元和所述跟踪控制单元通信连接，所述处理单元配置为接收所述传感信息并计算所述靶标的姿态调整方式并利用所述跟踪控制单元控制所述靶标的姿态。在这种情况下，处理单元能够接收传感信息并计算靶标的姿态调整方式并利用跟踪控制单元控制靶标的姿态。

另外，在本公开的所涉及的辅助测量装置中，可选地，所述跟踪控制单元包括控制所述靶标沿第一方向旋转的第一旋转机构和控制所述靶标沿第二方向旋转的第二旋转机构，所述第一旋转机构包括第一旋转轴、与所述第一旋转轴相匹配的第一轴承、与所述第一旋转轴联动的支撑臂、驱动所述第一旋转轴旋转的第一驱动电机和控制所述第一驱动电机的第一驱动卡，所述第二旋转机构设置于所述支撑臂，所述第二旋转机构包括第二旋转轴、与所述第二旋转轴相匹配的第二轴承、驱动所述第二旋转轴旋转的第二驱动电机和控制所述第二驱动电机的第二驱动卡，所述靶标设置于所述第二旋转轴并与所述第二旋转轴联动，所述第一旋转轴的轴线与所述第二旋转轴的轴线垂直且相交。在这种情况下，能够利用第一驱动电机驱动第一旋转轴旋转，进而能够带动支撑臂绕第一旋转轴旋转，进而能够利用支撑臂带动靶标绕第一旋转轴旋转，同时能够利用第二轴承将第二旋转轴设置于支撑臂，进而能够令支撑臂带动第二旋转轴和设置于第二旋转轴的靶标绕第一旋转轴旋转，通过第二驱动电机驱动第二旋转轴旋转，进而带动靶标绕第二旋转轴旋转，从而能够第二旋转轴带动靶标沿第二方向旋转。

另外，在本公开的所涉及的辅助测量装置中，可选地，包括第一角度测量单元和第二角度测量单元，所述第一角度测量单元包括设置于所述第一旋转轴的第一光栅盘和基于所述第一光栅盘获得所述靶标沿所述第一方向旋转的旋转角度的第一读数头，所述第二角度测量单元包括设置于所述第二旋转轴的第二光栅盘和基于所述第二光栅盘获得所述靶标沿所述第二方向旋转的旋转角度的第二读数头。在这种情况下，能够获得靶标沿第一方向旋转的旋转角度和沿第二方向旋转的旋转角度，进而能够基于靶标沿第一方向旋转的旋转角度和沿第二方向旋转的旋转角度计算激光束在靶标坐标系中的方向向量。

另外，在本公开的所涉及的辅助测量装置中，可选地，所述重力对齐单元包括第一倾角仪和第二倾角仪，所述第一倾角仪的敏感轴与所述第二倾角仪的敏感轴垂直。在这种情况下，由于重力对齐单元的敏感轴与的跟踪控制单元的旋转轴相匹配，能够简化靶标坐标系和目标坐标系的变换公式，提高计算速度，并提高测量的精度。同时，能够令第一倾角仪测量的靶标倾斜角度作为固定底座(目标)的俯仰角，并且令第二倾角仪测量的靶标倾斜角度作为固定底座(目标)的横滚角。

另外，在本公开的所涉及的辅助测量装置中，可选地，包括互相正交地安装的两个陀螺仪，所述两个陀螺仪分别测量所述第一倾角仪的敏感轴所在的方向的角速度和所述第二倾角仪的敏感轴所在的方向的角速度。在这种情况下，由于陀螺仪在短时间内的具有较高的测角精度，适合测量运动下的角速度，通过Kalman等滤波算法融合重力对齐单元测量的数据和陀螺仪测量数据，能够互补重力对齐单元测量的数据和陀螺仪测量数据，进而能够提升靶标倾斜角度的动态测量精度。

另外，在本公开的所涉及的辅助测量装置中，可选地，所述角锥棱镜具有切口，所述通孔位于所述角锥棱镜的顶点，所述角锥棱镜的顶点位于所述第一旋转轴的轴线和所述第二旋转轴的轴线的交点。在这种情况下，能够简化运算，提高计算速度，提高计算的准确性。

另外，在本公开的所涉及的辅助测量装置中，可选地，令形成切口的切面为切口平面，令激光束入射至所述角锥棱镜的平面为入射平面，所述切口平面平行于所述入射平面，所述切口平面平行于所述位置传感单元的感光面。在这种情况下，由于感光面与靶标坐标系的两个轴垂直，能够便捷地利用位置传感单元获取的光斑的位置表示靶标的姿态，进而能够简化运算。

另外，在本公开的所涉及的辅助测量装置中，可选地，所述中间层设置有小孔板，所述通孔设置于所述小孔板，所述通孔的大小小于激光束的截面。在这种情况下，能够使激光束的至少一部分通过通孔，并令激光束的至少一部分在通孔后到达基准层形成光斑。

根据本公开，提供一种能够实现反向跟踪，从而扩大可接收的角度的辅助测量装置。

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，其中：

图1是示出了本公开示例所涉及的主动反向跟踪的辅助测量装置的应用场景示意图。

图2是示出了本公开示例所涉及的主动反向跟踪的辅助测量装置的示意图。

图3是示出了本公开示例所涉及的第一平面、第一方向、第一旋转轴的轴线、第二平面、第二方向和第二旋转轴的轴线的示意图。

图4是示出了本公开示例所涉及的辅助测量装置在图2中的M-M'位置的剖面示意图。

图5是示出了本公开示例所涉及的靶标和第二旋转轴在图2中的N-N'位置的剖面示意图。

图6是示出了本公开示例所涉及的靶标的部分结构的示意图。

图7是示出了本公开示例所涉及的辅助测量装置的部分结构的仰视图。

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。

本公开涉及一种主动反向跟踪的辅助测量装置，是用于安装于目标并反射激光跟踪仪发射的光束的辅助测量装置，包括靶标、设置于靶标的位置传感单元、控制靶标的姿态的跟踪控制单元。在这种情况下，能够利用位置传感单元的传感信息判断靶标是否对准激光束，并能够利用跟踪控制单元控制靶标对准激光跟踪仪，从而实现靶标的主动反向跟踪，扩大辅助测量装置的可接收的角度范围。

本公开涉及一种主动反向跟踪的辅助测量装置，用于安装于目标并反射激光跟踪仪发射的光束的辅助测量装置，包括靶标、位置传感单元、跟踪控制单元，所述靶标包括基准层、棱镜层以及在所述基准层和所述棱镜层之间的中间层，所述基准层包括配置为将所述激光跟踪仪发出的激光束或散射光束反射至所述激光跟踪仪的角锥棱镜，所述中间层包括设置于所述角锥棱镜的光轴的通孔，所述位置传感单元设置于所述基准层并配置为接收经过所述通孔的激光束以获得传感信息，所述跟踪控制单元配置为控制所述靶标的姿态以使所述靶标对准所述激光跟踪仪。在这种情况下，能够基于激光束的至少一部分是否通过通孔以判定激光跟踪仪是否对准辅助测量装置，同时，至少一部分的激光束经过通孔后，能够在位置传感单元形成光斑，进而能够基于光斑的位置计算出靶标的调整方式，进而能够控制靶标的姿态，以使靶标对准激光跟踪仪或对准激光束，相对于没有设置跟踪控制单元的辅助测量装置，由于受到靶标中的反射镜的结构限制，当激光束与反射镜的入射平面大于45度，则会导致反射镜无法发射激光束，进而无法实现主动测量和跟踪，而设置跟踪控制单元，能够通过旋转靶标的方式弥补回射器的结构限制，扩大辅助测量装置的可接收的激光束的角度范围。

在一些示例中，主动反向跟踪可以是指辅助测量装置主动地跟踪激光跟踪仪。在一些示例中，辅助测量装置主动反向跟踪激光跟踪仪可以以以下的方式进行理解，由于激光跟踪仪可以包括发射激光束的激光发射单元(后续描述)，辅助测量装置可以包括反射激光束并具有通孔的靶标，当激光发射单元发射的激光束的至少一部分通过通孔，并且与靶标的光轴平行，则可以认为靶标(或辅助测量装置)对准激光发射单元(或激光跟踪仪)。在目标移动或目标姿态发生变化的过程中，通过控制靶标的姿态以使辅助测量装置持续地对准激光发射单元，则可以认为辅助测量装置主动反向跟踪激光跟踪仪。同时，在辅助测量装置持续地对准激光发射单元的过程中，通过位置传感单元接收至少一部分激光束，并自动地计算靶标的旋转方式，并利用跟踪控制单元控制靶标的旋转，从而改变了靶标的入射平面的朝向，实现靶标自动地跟踪激光发射单元，扩大辅助测量装置的可接收的角度范围。

在一些示例中，主动反向跟踪的辅助测量装置也可以称为姿态探头、探头、接收器、反射器或靶球等。

在一些示例中，辅助测量装置可以在主动反向跟踪激光跟踪仪的过程中，计算目标的6D坐标，目标的六维坐标(也即6D坐标)可以是指目标在空间的三个位置坐标和三个姿态角(也即欧拉角)。换言之，辅助测量装置可以用于目标的空间位置测量和空间姿态测量，其中，空间位置测量对应目标的空间位置，空间位置可以通过目标的位置坐标表示，空间姿态测量对应目标的空间姿态，空间姿态可以通过目标的欧拉角表示，欧拉角可以包括偏航角、俯仰角、和滚转角。在一些示例中，可以令靶标的位置坐标作为目标的位置坐标。在一些示例中，可以基于靶标的位置坐标计算获得目标的位置坐标。

另外，关于本公开还包括对方位的描述，例如“前”、“后”等描述。对于靶标或其他设置于靶标的部件或单元(例如：通孔或位置传感单元等)，“前”可以是指靶标对准激光跟踪仪时，从靶标指向激光跟踪仪的方向；“后”可以是指激光跟踪仪对准靶标时，从激光跟踪仪指向靶标的方向。

图1是示出了本公开示例所涉及的主动反向跟踪的辅助测量装置的应用场景示意图。在一些示例中，参见图1，辅助测量装置配置与激光跟踪仪1配合以获得目标的位置和姿态。

在一些示例中，辅助测量装置2可以安装于目标。在一些示例中，辅助测量装置2安装于目标时，辅助测量装置2的至少一部分(例如后续描述的固定底座22)可以与目标保持相对静止。在一些示例中，辅助测量装置2可以包括靶标21和将辅助测量装置2设置于目标的固定底座22(稍后描述)。在这种情况下，能够利用设置于目标的辅助测量装置2与激光跟踪仪1配合获取目标的位置和姿态。

在一些示例中，目标可以是工件，目标也可以是任意需要测量空间位置和/或空间姿态的物体。

在一些示例中，在使用6D姿态检测装置时，激光跟踪仪1可以与辅助测量装置2独立地设置。在一些示例中，激光跟踪仪1可以设置于地面，辅助测量装置2可以设置于目标。在这种情况下，能够利用设置于地面的激光跟踪仪1捕获辅助测量装置2的空间位置。

在一些示例中，激光跟踪仪1可以包括激光发射单元，激光发射单元可以配置为发射激光束，并且激光发射单元可以接收辅助测量装置2反射的激光束以计算辅助测量装置2与激光跟踪仪1的距离。

在一些示例中，激光发射单元可以主动跟踪辅助测量装置2，并基于激光发射单元的在跟踪辅助测量装置2时的旋转角度计算辅助测量装置2的方位，从而能够配合辅助测量装置2与激光跟踪仪1的距离计算辅助测量装置2的空间位置。

图2是示出了本公开示例所涉及的主动反向跟踪的辅助测量装置的示意图。图3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2311的轴线A1、第二平面S2、第二方向D2和第二旋转轴2321的轴线A2的示意图。图4是示出了本公开示例所涉及的辅助测量装置2在图2中的M-M'位置的剖面示意图。图5是示出了本公开示例所涉及的6D姿态检测装置的靶标21和第二旋转轴2321在图2中的N-N'位置的剖面示意图。图6是示出了本公开示例所涉及的6D姿态检测装置的靶标21的部分结构的示意图。图7是示出了本公开示例所涉及的辅助测量装置2的部分结构的仰视图。

在一些示例中，参见图2、图3和图4，辅助测量装置2可以包括靶标21和固定底座22。在一些示例中，靶标21可以用于反射光束，固定底座22可以配置为将辅助测量装置2安装于目标。在这种情况下，能够通过固定底座22将辅助测量装置2固定于目标，令辅助测量装置2与目标联动，进而能够基于靶标21反射的光束(包括激光束和散射光束)确定靶标21的位置和姿态，进而能够基于靶标21的位置和姿态确定固定底座22的位置(也即目标的位置和姿态)。

在一些示例中，靶标21可以配置为反射激光束或散射光束。在一些示例中，靶标21可以具有通孔2122(参见图5)。在一些示例中，通孔2122可以配置为检测激光发射单元发射的激光束是否发射至靶标21的位置传感单元2131。

在一些示例中，参见图2、图3和图4，在一些示例中，靶标21的结构可以为对称结构，例如可以关于图3中的第二平面S2对称。

在一些示例中，靶标21可以具有多层结构。例如，靶标21可以包括三层结构。具体而言，靶标21可以包括棱镜层211、中间层212、以及基准层213(参见图6)。在一些示例中，中间层212可以设置于棱镜层211和基准层213之间。在一些示例中，靶标21可以包括从前到后设置的棱镜层211、中间层212、以及基准层213。

在一些示例中，参见图6，棱镜层211可以设置有具有切口的反射镜2111。例如，反射镜2111可以为实心角锥棱镜、空心角锥棱镜或空心光学回射器。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，进而能够测量激光跟踪仪1的机械零点到角锥中心的距离，也即激光发射单元与靶标21之间的距离。在一些示例中，机械零点可以是指激光跟踪仪设备坐标系的原点，角锥中心可以是靶标坐标系的原点，换言之，可以以机械零点为原点建立激光跟踪仪设备坐标系，可以以角锥中心为原点建立靶标坐标系。

在一些示例中，机械零点可以是指跟踪头水平旋转轴1311和跟踪头俯仰旋转轴1321的交点(也即水平旋转轴可以与俯仰旋转轴的交点)，由此能够简化运算。但本公开不限于此，机械零点也可以是任意位置。

在一些示例中，角锥中心可以是指具有切口的反射镜2111的顶点V。例如，反射镜的顶点V可以是指图6中的角锥棱镜的顶点V。在一些示例中，靶标21的位置坐标可以是指角锥中心的位置坐标。

在一些示例中，切口的直径可以在1.0～2.0mm左右(例如切口的直径可以为1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、或2.0mm)，但本公开不限于此切口的直径也可以小于1.0mm或大于2.0mm，切口的直径也可以具有更高或更低的精度。

在一些示例中，参见图6，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。在这种情况下，使入射的激光束的至少一部分能够透过顶点V投射到后方的位置传感单元2131。

在一些示例中，具有切口的反射镜2111可以是空心角锥棱镜。在这种情况下，当入射的光束进入空心角锥棱镜时，通过平面反射入射的光束能够减少光束的折射进而能够减少光能的损失，并且能够减少因为折射而引起的光路复杂，进而降低了计算的复杂度。

在一些示例中，空心角锥棱镜可以为三片平面反射镜两两垂直组合形成。在这种情况下，入射光束经过三个平面反射镜依次反射后，出射光线的方向能够和入射光线的方向平行。但本公开不限于此，空心角锥棱镜也可以是任意能够以入射方向相反的方式反射光束的元件。

在一些示例中，空心角锥棱镜的顶点V可以位于中间层212。在一些示例中，空心角锥棱镜的主体可以位于棱镜层211。

在一些示例中，靶标21可以包括设置于棱镜层211后的中间层212。

在一些示例中，参见图6可以令空心角锥棱镜的光轴Ao为靶标21的光轴Ao。在一些示例中，通孔2122可以位于靶标21的光轴Ao所在的直线上。在这种情况下，当激光发射单元发射的激光束沿空心角锥棱镜的光轴Ao入射时，也即靶标21对准激光发射单元时，激光束能够通过通孔2122，并且会在通孔2122的后方的特定位置(例如后文所述的预设零点)形成特定光斑，进而能够根据通孔2122的后方的特定位置是否有光斑确定靶标21是否对准激光发射单元。

在一些示例中，在中间层212可以设置有小孔板2121(参见图5)，并且通孔2122可以设置于小孔板2121。在一些示例中，位于小孔板2121的通孔2122同时也可以位于具有切口的反射镜2111的顶点V。在一些示例中，通孔2122可以设置于小孔板2121且在空心角锥棱镜的光轴Ao所在的直线上，并且通孔2122的朝向可以在空心角锥棱镜的光轴Ao所在的直线上。

在一些示例中，小孔板2121可以为具有通孔2122的铝板。但本公开不限于此，小孔板2121的构成材料也可以包括铁、铜、不锈钢、或钽等金属材料或硅、石墨、氧化物、或碳化物等非金属材料构成。在一些示例中，小孔板2121可以是针孔光阑。

在一些示例中，通孔2122的大小可以小于激光束的截面大小，在这种情况下，能够使激光束的至少一部分通过通孔2122，并令激光束的至少一部分在通孔2122后到达基准层213形成光斑。

在一些示例中，参见图5，靶标21可以包括滤光片2123。在一些示例中，滤光片2123可以设置于小孔板2121与位置传感单元2131之间，换言之，滤光片2123可以设置于小孔板2121的后方。在这种情况下，能够过滤特定的波长范围(例如用于激光发射单元形成的激光束的波长)以外的光，使得通过通孔2122并在位置传感单元2131形成的光斑的能量来自于激光发射单元形成的激光束，由此能够减少环境光或发光单元14的干扰影响，从而提升激光束方位的检测精度。

在一些示例中，靶标21可以包括设置于中间层212后的基准层213。在一些示例中，基准层213可以设置有位置传感单元2131，位置传感单元2131可以配置为接收经过通孔2122的激光束。

在一些示例中，位置传感单元2131可以具有感光面，在一些示例中，位置传感单元2131的感光面可以与切口平面Sc平行。在一些示例中，位置传感单元2131的感光面可以与入射平面Si平行。在一些示例中，位置传感单元2131的感光面可以与靶标21的光轴Ao垂直。在这种情况下，由于感光面与靶标坐标系的两个轴垂直，能够便捷地利用位置传感单元2131获取的光斑的位置表示靶标21的姿态，进而能够简化运算。但本公开不限于此，位置传感单元2131的感光面也可以与切口平面Sc不平行。

在一些示例中，位置传感单元2131接收经过通孔2122的激光束后，可以基于激光束在位置传感单元2131的感光面所形成的光斑判断靶标21是否对准激光发射单元。

在一些示例中，位置传感单元2131可以记录光斑在位置传感单元2131的感光面的位置。在这种情况下，能够基于光斑在位置传感单元2131的感光面的位置计算靶标21的姿态和靶标21的姿态调整方式。在一些示例中，可以基于光斑和位置传感单元2131的预设零点之间的相对位置确定靶标21的姿态调整方式，预设零点可以位于靶标21对准激光发射单元时光斑的位置。

在一些示例中，位置传感单元2131可以是位置传感器(Position SensitiveDetector，PSD)或CCD(charge coupled device)相机。

在一些示例中，当空心角锥棱镜接收到激光束，并且激光束的至少一部分通过通孔2122并在位置传感单元2131形成光斑，并且激光束的至少一部分在位置传感单元2131所形成的光斑不位于预设零点，可以认为激光束未与靶标21的光轴Ao平行，并且靶标21未对准激光跟踪仪1；当空心角锥棱镜接收到激光束，并且激光束的至少一部分通过通孔2122并在位置传感单元2131形成光斑，并且激光束的至少一部分在位置传感单元2131所形成的光斑位于预设零点，可以认为激光束与靶标21的光轴Ao平行，并且靶标21对准激光跟踪仪1。在这种情况下，能够基于激光束和辅助测量装置2的关系的判断6D姿态检测装置处于哪一个阶段。

在一些示例中，靶标21的表面可以不设置有用于获取靶标21的姿态的发光装置。在这种情况下，能够有效降低靶标21的制造成本和设计成本，同时也能够不在激光跟踪仪1设置用于接收靶标21的发光装置的光束的姿态相机和变焦光学镜头，进一步降低激光跟踪仪1的制造成本和设计成本。

在一些示例中，参见图2，辅助测量装置2可以包括跟踪控制单元，跟踪控制单元可以配置为基于位置传感单元2131获取的传感信息控制靶标21的姿态以使靶标21对准激光发射单元。在这种情况下，能够利用跟踪控制单元驱动靶标21以使靶标21对准激光发射单元。

在一些示例中，跟踪控制单元可以包括控制靶标21沿第一方向D1旋转的第一旋转机构231(参见图2)。在这种情况下，能够利用第一旋转机构231控制靶标21沿第一方向D1旋转以在第一方向D1跟踪激光跟踪仪1。

在一些示例中，跟踪控制单元可以包括控制靶标21沿第二方向D2旋转的第二旋转机构232(参见图4)。在这种情况下，能够利用第二旋转机构232控制靶标21沿第二方向D2旋转以在第二方向D2跟踪激光跟踪仪1。

在一些示例中，结合图3和图4，靶标21沿第一方向D1旋转可以是指靶标21在第一平面S1内旋转，第一平面S1与第一旋转轴2311垂直，此时靶标21可以绕第一旋转轴2311进行旋转。

在一些示例中，将辅助测量装置2安装于目标时，令目标上的用于安装固定底座22的表面为安装面，则第一平面S1可以与安装面平行。换言之，第一平面S1与目标上的用于安装固定底座22的表面为安装面相关联，当目标的姿态发生变化时，第一平面S1也可能发生变化，靶标21沿第一方向D1旋转时，第一旋转轴2311可以垂直于安装面。但本公开不限于此，在一些示例中，第一旋转机构231驱动靶标21旋转时，靶标21也可以在任意一平面内旋转，也即靶标21沿第一方向D1旋转时，第一旋转机构231的第一旋转轴2311可以朝任意方向。

在一些示例中，结合图3和图4，靶标21沿第二方向D2旋转可以是指靶标21可以在第二平面S2内旋转，第二平面S2与第一平面S1不重合且不平行，并且第二平面S2与第二旋转轴2321垂直，靶标21可以绕第二旋转轴2321进行旋转。

在一些示例中，第二平面S2可以是与切口平面Sc(或位置传感单元2131的感光面)垂直的平面，换言之，第二旋转轴2321可以与切口平面Sc(或位置传感单元2131的感光面)平行。在一些示例中，将辅助测量装置2安装于目标时，令目标上的用于安装固定底座22的表面为安装面，则第二平面S2可以与安装面垂直。换言之，第二平面S2与目标上的用于安装固定底座22的表面为安装面相关联，当目标的姿态发生变化时，第二平面S2也可能发生变化，靶标21沿第二方向D2旋转时，第二旋转轴2321可以平行于安装面。但本公开不限于此，在一些示例中，第二旋转机构232驱动靶标21旋转时，靶标21也可以在任意一平面内旋转，也即靶标21沿第二方向D2旋转时，第二旋转机构232的第二旋转轴2321可以朝任意方向。

在一些示例中，第一旋转轴2311可以与第二旋转轴2321垂直。换言之，第一平面S1可以与第二平面S2垂直。在这种情况下，能够便捷地将靶标21的姿态调整方式分解为沿第一方向D1的旋转和沿第二方向D2的旋转，从而能够便捷地利用第一旋转机构231和第二旋转机构232控制靶标21朝向任意方向，也即靶标21的光轴Ao方向指向任意方向。

在一些示例中，第一旋转轴2311的轴线A1可以与第二旋转轴2321的轴线A2相交，并可以将第一旋转轴2311的轴线A1与第二旋转轴2321的轴线A2的交点作为靶标坐标系的原点。在这种情况下，能够简化运算，提高计算速度，提高计算的准确性。

在一些示例中，靶标坐标系可以是以第一旋转轴2311的轴线A1与第二旋转轴2321的轴线A2的交点为原点，以第一旋转轴2311的轴线A1的方向为Z轴方向，以第二旋转轴2321的轴线A2的方向为Y轴方向，以垂直与第一旋转轴2311的轴线A1和第二旋转轴2321的轴线A2的方向为X轴方向的坐标系。

在一些示例中，第一旋转轴2311的轴线A1可以与第二旋转轴2321的轴线A2相交，并可以将第一旋转轴2311的轴线A1与第二旋转轴2321的轴线A2的交点设置于具有切口的反射镜2111的顶点V。换言之，反射镜2111的顶点V可以位于第一旋转轴2311的轴线A1与第二旋转轴2321的轴线A2的交点。在这种情况下，能够简化运算，提高计算速度，提高计算的准确性。

在一些示例中，参见图4，第一旋转机构231可以包括第一旋转轴2311、第一旋转底盘2313和设置于第一旋转底盘2313的至少一个支撑臂2312，靶标21可以设置于支撑臂2312。在一些示例中，第一旋转机构231可以包括两个支撑臂2312，靶标21可以设置于两个支撑臂2312之间。

在一些示例中，第一旋转机构231可以设置于固定底座22，第一旋转机构231可以包括第一旋转轴2311、与第一旋转轴2311相匹配的第一轴承2314、与第一旋转轴2311联动的支撑臂2312和驱动第一旋转轴2311旋转的第一驱动电机2315。在这种情况下，能够利用第一驱动电机2315驱动第一旋转轴2311旋转，进而能够带动支撑臂2312绕第一旋转轴2311旋转，进而能够利用支撑臂2312带动靶标21绕第一旋转轴2311旋转。

在一些示例中，第一旋转机构231可以包括第一角度编码器和控制第一驱动电机2315的第一驱动卡。

在一些示例中，第一旋转机构231可以控制靶标21沿第一方向D1旋转。在一些示例中，第一旋转底盘2313可以设置于第一旋转轴2311，并且第一旋转轴2311可以通过第一轴承2314设置于固定底座22。在这种情况下，第一旋转机构231能够通过驱动第一旋转轴2311进行旋转并带动设置于第一旋转轴2311的第一旋转底盘2313沿第一方向D1旋转，进而能够带动设置于支撑臂2312的靶标21沿第一方向D1旋转。

在一些示例中，第二旋转机构232可以设置于第一旋转机构231的支撑臂2312并能够驱动第二旋转轴2321沿第二方向D2旋转。在一些示例中，第二旋转轴2321可以与靶标21联动。在这种情况下，能够利用第二旋转机构232驱动靶标21沿第二方向D2旋转。在一些示例中，第二旋转机构232可以包括连接靶标21并将靶标21设置于支撑臂2312的第二旋转轴2321、与第二旋转轴2321相匹配的第二轴承2322、第二角度编码器、驱动第二旋转轴2321进行旋转的第二驱动电机2323和控制第二驱动电机2323的第二驱动卡。在这种情况下，能够利用第二轴承2322将第二旋转轴2321设置于支撑臂2312，进而能够令支撑臂2312带动第二旋转轴2321和设置于第二旋转轴的靶标21绕第一旋转轴2311旋转，同时，能够通过第二驱动电机2323驱动第二旋转轴2321旋转，进而带动靶标21绕第二旋转轴2321旋转，从而能够第二旋转轴2321带动靶标21沿第二方向D2旋转。

在一些示例中，第一旋转轴2311和第二旋转轴2321可以是精密轴，并且与第一旋转轴2311和第二旋转轴2321相匹配的第一轴承2314和第二轴承2322可以是精密轴承。

在一些示例中，跟踪控制单元可以配置为基于位置传感单元2131获取的传感信息控制靶标21的姿态以使靶标21对准激光发射单元。具体而言，在位置传感单元2131中，若光斑远离了预设零点，则可以认为靶标21没有对准激光发射单元，可以基于光斑和预设零点之间的相对位置计算靶标21的姿态调整方式。在这种情况下，能够基于计算结果令跟踪控制单元控制靶标21反向跟踪激光发射单元，光斑和预设零点之间的相对位置可以是指光斑相对于预设零点的位置。

在一些示例中，跟踪控制单元可以由第一旋转机构231和第二旋转机构232构成。在这种情况下，能够控制靶标21在两个方向进行旋转，由第一旋转机构231和第二旋转机构232构成的跟踪控制单元能够减少制造成本和设计成本，同时，在跟踪控制单元由第一方向D1旋转和第二旋转机构232构成的情况下，能够控制靶标21对准激光发射单元，也能够基于计算获得靶标21的姿态。

在一些示例中，辅助测量装置2还包括处理单元，处理单元可以与位置传感单元2131和跟踪控制单元通信连接，在这种情况下，处理单元能够接收传感信息并计算靶标21的姿态调整方式并利用跟踪控制单元控制靶标21的姿态。

在一些示例中，参见图4，辅助测量装置2可以包括角度测量单元，角度测量单元可以配置为测量靶标21在跟踪控制单元的控制下的旋转角度。在这种情况下，能够利用角度测量单元获得靶标21的旋转角度，由此能够基于靶标21的旋转角度确定靶标21的姿态和辅助测量装置2的姿态的位置关系，进而能够获取靶标21相对于辅助测量装置2的旋转角度，进而能够基于辅助测量装置2的旋转角度计算目标的空间姿态。需要说明的是，在利用跟踪控制单元靶标21旋转的过程，也是控制靶标21相对于固定底座22旋转的过程，辅助测量装置2的姿态可以是指辅助测量装置2中的固定底座22的姿态，由于固定底座22安装于目标，固定底座22的移动方式与目标的移动方式同步，因此辅助测量装置2的姿态也可以是指目标的姿态。同时，由于靶标21在跟踪控制单元的控制下持续地对准激光发射单元，靶标21的姿态可以与激光束的方向向量同步地发生变化。换言之，获取靶标21相对于辅助测量装置2的旋转角度，也即获取了激光束的方向向量相对于目标的变化。

在一些示例中，基于辅助测量装置2的旋转角度计算目标的空间姿态可以是指先基于靶标21的旋转角度确定激光束在靶标坐标系中的方向向量，再基于激光发射单元的旋转角度确定激光束在激光跟踪仪设备坐标系中的方向向量，并利用激光束在不同的坐标系(例如激光跟踪仪设备坐标系、目标坐标系和靶标坐标系)中的方向向量以及不同坐标系之间的变换关系计算辅助测量装置2(目标)的偏航角。

在一些示例中，参见图4，角度测量单元可以包括配置为测量靶标21沿第一方向D1旋转的旋转角度的第一角度测量单元24和配置为测量靶标21沿第二方向D2旋转的旋转角度的第二角度测量单元25。在这种情况下，能够获得靶标21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，进而能够基于靶标21沿第一方向D1旋转的旋转角度和沿第二方向D2旋转的旋转角度计算激光束在靶标坐标系中的方向向量。

在一些示例中，角度测量单元包括设置于旋转轴的光栅盘和读数头。例如，第一角度测量单元24可以包括设置于第一旋转轴2311的第一光栅盘241和基于第一光栅盘241获得靶标21沿第一方向D1旋转的旋转角度的第一读数头242。第二角度测量单元25可以包括设置于第二旋转轴2321的第二光栅盘251和基于第二光栅盘251获得靶标21沿第二方向D2旋转的旋转角度的第二读数头252。在这种情况下，能够通过角度测量单元测量第一旋转轴2311或第二旋转轴2321的旋转角度以计算激光束在靶标坐标系中的方向向量。但本公开不限于此，角度测量单元也可以是基于其他测量原理的并能够测量靶标21的旋转角度的仪器。

在一些示例中，参见图4，辅助测量装置2可以包括重力对齐单元26。在一些示例中，重力对齐单元26可以配置为获取目标的姿态，在一些示例中，重力对齐单元26可以用于获取目标的至少一个欧拉角。在一些示例中，重力对齐单元26可以用于获取目标的俯仰角和横滚角。

在一些示例中，重力对齐单元26可以配置为将基于角度测量单元获取的方向信息关联至目标坐标系(例如将激光束方向在目标坐标系中的坐标值对齐至靶标坐标系)。角度测量单元获取的方向信息可以包括靶标21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4，重力对齐单元26可以设置于固定底座22。在这种情况下，由于固定底座22安装于目标，与目标保持相对静止，重力对齐单元26能够不随靶标21的旋转而旋转，相对于目标能够保持固定的，进而能够测量目标的倾斜角度。另外，相对于将重力对齐单元26设置于靶标21的方案，也即重力对齐单元26会在第一旋转机构231或第二旋转机构232的驱动下旋转的方案，能够减少重力对齐单元26的动态响应要求，从而能够提高重力对齐单元26的测量精度，同时还能够简化计算过程。

在一些示例中，重力对齐单元26可以通过测量固定底座22相对于水平面的倾斜角度为靶标倾斜角度。换言之，重力对齐单元26可以配置为获取辅助测量装置2的靶标倾斜角度，靶标倾斜角度可以配置为计算靶标坐标系和目标坐标系之间的变换关系。在这种情况下，能够将激光束在激光跟踪仪设备坐标系中的方向向量和激光束在靶标坐标系中的方向向量相关联。同时，由于除去可旋转的靶标21外，辅助测量装置2的大部分部件与固定底座22保持相对静止，因此，固定底座22相对于水平面的倾斜角度也可以是指辅助测量装置2相对于水平面的倾斜角度，由于固定底座22安装于目标，固定底座22相对于水平面的倾斜角度也可以是目标与水平面的倾斜角，例如目标与水平面的倾斜角可以是目标的俯仰角和横滚角。同时，由于靶标坐标系和目标坐标系之间的变换关系可以利用目标的欧拉角(包括俯仰角和、横滚角和偏航角)获得，因此，在激光跟踪仪设备坐标系中的坐标、激光束在靶标坐标系中的方向向量、目标的俯仰角和目标的横滚角已知的情况下，能够计算得到目标的偏航角。

在一些示例中，重力对齐单元26可以包括两个单轴倾角仪或一个双轴倾角仪(倾角传感器)。在这种情况下，能够获得两个靶标倾斜角度计算靶标坐标系和目标坐标系之间的变换关系。

在一些示例中，重力对齐单元26中的加速度计可以是闭环液浮摆式、挠性摆式、振弦式或摆式积分陀螺等，倾角传感器可以是固体摆式、液体摆式或气体摆式等。在一些示例中，加速度计也可以是MEMS加速度计，在一些示例中，加速度计也可以是电容摆式传感器。

在一些示例中，以重力对齐单元26包括两个单轴倾角仪，并且两个单轴倾角仪的敏感轴正交为例，重力对齐单元26可以包括第一倾角仪26a和第二倾角仪26b(参见图7)，其中，第一倾角仪26a的敏感轴和第二倾角仪26b的敏感轴可以在同一平面内，令第一倾角仪26a的敏感轴和第二倾角仪26b的敏感轴所形成的平面为敏感平面，敏感平面可以与第一旋转轴2311垂直，敏感平面可以与第二旋转轴2311平行，第一倾角仪26a的敏感轴可以与第二旋转轴2321平行，第二倾角仪26b的敏感轴可以与第二旋转轴2321垂直。换言之，重力对齐单元26可以包括第一倾角仪26a和第二倾角仪26b，第一倾角仪26a的安装方向可以与第一旋转机构231的旋转轴的轴线垂直，第二倾角仪26b的安装方向可以与第二旋转机构232的旋转轴的轴线平行，第一倾角仪26a的安装方向可以与第二倾角仪26b的安装方向垂直。在这种情况下，由于重力对齐单元26的敏感轴与的跟踪控制单元的旋转轴相匹配，能够简化靶标坐标系和目标坐标系的变换公式，提高计算速度，并提高测量的精度。同时，能够令第一倾角仪26a测量的靶标倾斜角度作为固定底座22(目标)的俯仰角，并且令第二倾角仪26b测量的靶标倾斜角度作为固定底座22(目标)的横滚角。但不公开不限于此，在另外一些实例中，两个单轴倾角仪的敏感轴与第二旋转轴2321的位置关系也可以不是平行或垂直。

在一些示例中，靶标倾斜角度可以分解为靶标倾斜角度a和第二倾角度b。在一些示例中，靶标倾斜角度a可以通过第一倾角仪26a获取，并且靶标倾斜角度b可以通过第二倾角仪26b获取。在一些示例中，靶标倾斜角度a和靶标倾斜角度b也可以通过双轴倾角仪获得。在一些示例中，靶标倾斜角度a和靶标倾斜角度b也可以通过一个单片集成的三轴倾角仪获得，其中三轴倾角仪的两条敏感轴分别与第二旋转轴2321平行和垂直。

在一些示例中，辅助测量装置2还可以包括互相正交地安装的两个陀螺仪，通过引入两个正交的陀螺仪分别测量第一倾角仪26a的敏感轴所在的方向的角速度和第二倾角仪26b的敏感轴所在的方向的角速度。在这种情况下，由于陀螺仪在短时间内的具有较高的测角精度，适合测量运动下的角速度，通过Kalman等滤波算法融合重力对齐单元26测量的数据和陀螺仪测量数据，能够互补重力对齐单元26测量的数据和陀螺仪测量数据，进而能够提升靶标倾斜角度的动态测量精度。

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 (10)

1.一种主动反向跟踪的辅助测量装置，是用于安装于目标并反射激光跟踪仪发射的光束的辅助测量装置，其特征在于，包括：

靶标、位置传感单元、跟踪控制单元，

所述靶标包括基准层、棱镜层以及在所述基准层和所述棱镜层之间的中间层，

所述基准层包括配置为将所述激光跟踪仪发出的激光束或散射光束反射至所述激光跟踪仪的角锥棱镜，

所述中间层包括设置于所述角锥棱镜的光轴的通孔，

所述位置传感单元设置于所述基准层并配置为接收经过所述通孔的激光束以获得传感信息，

所述跟踪控制单元配置为控制所述靶标的姿态以使所述靶标对准所述激光跟踪仪。

2.如权利要求1所述的辅助测量装置，其特征在于，

包括重力对齐单元和将所述辅助测量装置设置于所述目标的固定底座，所述重力对齐单元设置于所述固定底座并配置为测量所述固定底座相对于水平面的倾斜角度。

3.如权利要求1所述的辅助测量装置，其特征在于，

包括处理单元，所述处理单元与所述位置传感单元和所述跟踪控制单元通信连接，所述处理单元配置为接收所述传感信息并计算所述靶标的姿态调整方式并利用所述跟踪控制单元控制所述靶标的姿态。

4.如权利要求1所述的辅助测量装置，其特征在于，

所述跟踪控制单元包括控制所述靶标沿第一方向旋转的第一旋转机构和控制所述靶标沿第二方向旋转的第二旋转机构，

所述第一旋转机构包括第一旋转轴、与所述第一旋转轴相匹配的第一轴承、与所述第一旋转轴联动的支撑臂、驱动所述第一旋转轴旋转的第一驱动电机和控制所述第一驱动电机的第一驱动卡，

所述第二旋转机构设置于所述支撑臂，所述第二旋转机构包括第二旋转轴、与所述第二旋转轴相匹配的第二轴承、驱动所述第二旋转轴旋转的第二驱动电机和控制所述第二驱动电机的第二驱动卡，所述靶标设置于所述第二旋转轴并与所述第二旋转轴联动，所述第一旋转轴的轴线与所述第二旋转轴的轴线垂直且相交。

5.如权利要求4所述的辅助测量装置，其特征在于，

包括第一角度测量单元和第二角度测量单元，

所述第一角度测量单元包括设置于所述第一旋转轴的第一光栅盘和基于所述第一光栅盘获得所述靶标沿所述第一方向旋转的旋转角度的第一读数头，

所述第二角度测量单元包括设置于所述第二旋转轴的第二光栅盘和基于所述第二光栅盘获得所述靶标沿所述第二方向旋转的旋转角度的第二读数头。

6.如权利要求2所述的辅助测量装置，其特征在于，

所述重力对齐单元包括第一倾角仪和第二倾角仪，所述第一倾角仪的敏感轴与所述第二倾角仪的敏感轴垂直。

7.如权利要求6所述的辅助测量装置，其特征在于，

包括互相正交地安装的两个陀螺仪，

所述两个陀螺仪分别测量所述第一倾角仪的敏感轴所在的方向的角速度和所述第二倾角仪的敏感轴所在的方向的角速度。

8.如权利要求4所述的辅助测量装置，其特征在于，

所述角锥棱镜具有切口，所述通孔位于所述角锥棱镜的顶点，所述角锥棱镜的顶点位于所述第一旋转轴的轴线和所述第二旋转轴的轴线的交点。

9.如权利要求8所述的辅助测量装置，其特征在于，

令形成切口的切面为切口平面，令激光束入射至所述角锥棱镜的平面为入射平面，所述切口平面平行于所述入射平面，所述切口平面平行于所述位置传感单元的感光面。

10.如权利要求1所述的辅助测量装置，其特征在于，

所述中间层设置有小孔板，所述通孔设置于所述小孔板，所述通孔的大小小于激光束的截面。

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