坐标测量系统与方法

申请号 CN201380027706.0 申请日 2013-03-28 公开(公告)号 CN104335067B 公开(公告)日 2017-12-22
申请人 商业创新和技能部国务大臣; 发明人 E·B·休斯; D·W·维尔; M·S·沃登;
摘要 一种可以探测至少一个目标(10)的三维 位置 的位置探测系统。每个目标(10)配置为作为来自任何方向的入射光的逆 反射器 。至少一个光发射体,用于照明至少一个目标(10),以及至少一个探测器(24),用于探测并测量从目标(10)处逆反射的光。还提供一处理器,用于处理由每个探测器(24)得到的测量,以确定该至少一个目标(10)的三维位置。
权利要求

1.一种用于探测多个目标的三维位置的位置探测系统,包括:
多个目标,其中每个目标配置为作为来自任何方向的入射光的逆反射器
至少一个光发射体,用于照明该多个目标,该或每个光发射体用于照明该多个目标并且包括用于发散光线的散光元件;
至少一个探测器,用于探测并测量从该多个目标处逆反射的光;以及
处理器,用于通过使用频率扫描干涉仪由从该至少一个探测器的测量所确定的绝对距离测量,处理由每个探测器得到的测量,以确定该多个目标的三维位置。
2.根据权利要求1所述的位置探测系统,其中每个目标大体为球状。
3.根据权利要求2所述的位置探测系统,其中每个目标为球体。
4.根据权利要求1所述的位置探测系统,其中该至少一个探测器为多个探测器。
5.根据权利要求1所述的位置探测系统,其中该至少一个光发射体为多个光发射体。
6.根据权利要求1所述的位置探测系统,其中该或每个散光元件配置为发散发射光线,以照亮一基本为锥形的区域。
7.根据权利要求1所述的位置探测系统,其中该或每个散光元件包括透镜。
8.根据权利要求1所述的位置探测系统,其中该或每个光发射体包括用于引导光线的引导元件,所述引导元件配置为引导发射光线沿预设方向,并且引导逆反射光到探测器。
9.根据权利要求8所述的位置探测系统,其中该引导元件包括透镜并可选地包括分束器。
10.根据权利要求1所述的位置探测系统,其中该或每个光发射体包括激光源,并且由每个光发射体发射的光线为激光光线。
11.根据权利要求1所述的位置探测系统,其中每个光发射体发射的光线的波长在一预设波长范围内。
12.根据权利要求11所述的位置探测系统,其中每个目标为球状的,并且包括选择作为光线逆反射器的材料,所述光线入射到每个目标的中心,并且光线波长在预设波长范围内。
13.根据权利要求12所述的位置探测系统,其中:
每个目标为球状并实心的;并且
波长在预设波长范围内,每个目标的折射率范围为从1.9到2.1。
14.根据权利要求13所述的位置探测系统,其中波长在预设波长范围内,每个目标的折射率范围为从1.95到2。
15.根据权利要求13所述的位置探测系统,其中波长在预设波长范围内,每个目标的折射率范围为从1.995到2。
16.根据权利要求1所述的位置探测系统,其中该或每个探测器设置为探测直接在光发射体上逆反射的光线。
17.根据权利要求1所述的位置探测系统,其中该或每个探测器可测量接收逆反射光的度。
18.根据权利要求17所述的位置探测系统,其中该处理器可以使用角度测量关联哪个测量对应哪个目标。
19.根据权利要求1-16中任一项所述的位置探测系统,其中该或每个探测器可以利用CCD或CMOS传感器测量接收逆反射光线的角度。
20.根据权利要求1-16中任一项所述的位置探测系统,其中该或每个探测器可测量逆反射光,从而确定从探测器到一个或多个目标的角度,逆反射光线从该目标处被逆反射。
21.一种确定一个或多个对象三维位置的方法,包括:
将多个目标固定在一个或多个物体上,其中每个目标配置为作为从任何方向入射的光线的逆反射器;
利用来自至少一个光发射体的光线照明目标,该光发射体包括用于发散光线的散光元件;
探测并测量从该多个目标处逆反射的光线以及通过使用频率扫描干涉仪确定到目标的绝对距离;并且处理逆反射光线的测量,从而确定该多个目标的三维位置,进而确定该一个或多个物体的三维位置。

说明书全文

坐标测量系统与方法

[0001] 本发明涉及一种坐标测量方法和系统,如用于大容量计量及计量辅助装置和一般坐标计量的坐标测量系统。
[0002] 在说明书权利要求书通篇中,坐标测量系统指代位置探测系统。
[0003] 在一空间内,探测物体的三维位置存在多种方法。已知的方法包括如摄影测量法(或影像测量法)、激光跟踪法及多点定位
[0004] 激光跟踪器利用基于度和距离的传感器的组合。它将窄校准激光束发射到一特定逆反射目标上,如球状逆反射器(SMR)。SMR沿与发射束相同的路径将光束反射回到仪器中。激光跟踪器中的传感器探测SMR的移动,并控制激光束始终瞄准SMR。光束控制装置上的角度编码器测量从激光追踪器到SMR的垂直和平角度,而基于激光的距离测量系统测量到SMR的距离。结合两个角度和一个距离为SMR提供球面极坐标形式的三维坐标。
[0005] 同很多现有技术一样,本技术的缺点在于单个仪器与目标之间需要瞄准线。当使用该技术时,例如大型装置,如飞机,在保持激光跟踪器和目标之间的视线方面比较困难,尤其当组件移动时。
[0006] 克服瞄准线问题的一个方法为将测量系统从一个位置移动到另一位置。就激光跟踪器而言,则有必要构建一个统一的坐标系统。另一个方法就是采用分布式测量系统,如摄影测量法。
[0007] 摄影测量法包括通过在不同的位置拍摄两或三张摄影图像来探测物体的三维位置。该图像可以是利用同一台摄像头依次拍摄,或者利用多摄像头同时拍摄。如果图像及坐标是以视频速率实时处理,则该技术通常称为影像测量法。在每个图像上可确认多个共同基准点,而从摄像头图像到物理基准点的光线(光束)可以通过计算构成。每一个光束相对于摄像头的方向可以从两个角度去描述。如果摄像头的方位(位置和方向)是已知的,这些光束的交叉就确定了该点的三维坐标。如果拍摄了足够的图片,并且确定了足够多的基准点,则称系统为超定(over determined)的,并且可以确定摄像头的位置和方向以及基准点坐标。因此,系统为自校准的。
[0008] 实际上,使用闪光照明,并结合位于待测物体的兴趣点上的高反射目标是比较普遍的。这些目标通常平展、二维并且形状规则。高反射率、闪光照明以及形状规则的结合可生成高对比度的图像,并且使识别和图像处理更加容易。
[0009] 这些目标的缺点在于它们只在有限的角度范围内反射照明,并且实际上仅在一侧可见。
[0010] 已知摄影测量法系统还应用于使用有源目标(active target)的场合。该系统包括连接到手持探头的发光二极管(LEDs),该探头反过来用于探测待检测的点。然后多个摄像头用于探测LEDs发出的光以及光被接收的角度,从而得到LEDs的位置,进而可计算出探头和探头针的位置和方向。由于上述反射目标,LED目标的操作角度范围受限。这就限制了摄像头的最大间隔,意味着当探头移离摄像头时,精度会减少。因此,该系统仅限用于相对较小的空间。正因如此,为了测量另一特征,通常需要系统重新排列并/或重新置位。
[0011] 一些系统为了解决受限制的角度范围和距离问题,将冗余(redundancy)引入系统。例如用环绕测量空间的分布式仪器替换单个仪器,为视线问题提供了灵活性,并减少了单个仪器同目标间距离的精度问题。
[0012] 一个该系统包括多个位于环绕测量空间的固定点上的旋转激光源。多个包括柱状光探测器的目标贴在待测物体上。当目标探测到有激光束经过时,它都会产生脉冲。脉冲相对于激光源旋转的时间可使光从特定激光源的入射角度得以计算。
[0013] 这种系统的优点在于如果每个光探测器都可以看到至少两个激光源,则系统容许一些光束中断。然而,由于在激光源旋转期间,来自不同激光源的光束由光探测器上不同的点探测,光探测器在来自不同激光源的探测光线之间的移动会影响计算得到的位置。这意味着计算得到的位置仅为旋转激光源一个周期内的平均位置。
[0014] 此外,激光源和形成目标的光探测器均为需要能量和复杂组件的有源设备(activedevice),这意味着为源或目标而向系统内引入附加冗余是昂贵的。
[0015] 再者,同摄影测量法及其他固有的基于角度的测量系统一样,需要一种辅助方法,将比例(scale)引入系统。这通常采用校准基准长度或比例尺实现。
[0016] 基于光学角度测量的系统的另一个缺点在于,由于大气干扰沿光线在其长度方向上的不成比例的影响,该设备本身比光学距离测量系统的精度要低。
[0017] 多点定位技术本身比基于角度的技术更加精确。多点定位结合从多个固定位置到移动中的目标间的距离的测量组合,以确定目标的坐标。如果利用至少4个距离测量设备去追踪目标,则系统为超定的,并且可以确定距离测量设备的位置和方向以及目标坐标。可以通过激光跟踪器执行多点定位,该跟踪器测量从源到目标的绝对距离。
[0018] 然而,与摄影测量法不同,带有激光跟踪器的多点定位一次只用于处理一个目标。
[0019] 本发明旨在提供一种改进的位置探测系统和方法。
[0020] 根据本发明的一方面,提供了一种用于探测至少一个目标的三维位置的位置探测系统,包括:
[0021] 至少一个目标,其中该或每个目标配置为作为几乎来自任何方向的入射光的逆反射器;
[0022] 至少一个光发射体,用于照明至少一个目标;
[0023] 至少一个探测器,用于探测并测量从目标处逆反射的光;以及
[0024] 处理器,用于处理由该或每个探测器得到的测量,以确定该至少一个目标的三维位置。
[0025] 优选地,该至少一个探测器为多个探测器。
[0026] 优选地,该至少一个光发射体为多个光发射体。
[0027] 在实施例中,该或每个探测器满足:临近目标,从目标到探测器的光线路径与光线从光发射体入射到目标的光线路径一致。
[0028] 在实施例中,该或每个探测器具有相应的光发射体,光发射体满足从光发射体到目标的光线路径至少部分与从目标到相应探测器的光线路径重合,从而从光发射体入射到目标的光线沿光线路径逆反射到相对应探测器上。
[0029] 如上文所解释的,现有技术的问题在于对于基于角度的测量而言,当目标远离探测器时,角度测量的错误就会愈加明显,降低了测量的精度。通过提供配置为作为从任何方向入射的光线的逆反射器的目标,目标可优选地由探测器环绕。因此,当目标移动远离一个探测器时,它倾向离另一探测器更近,从而当相对于一个探测器错误明显时,相对于另一探测器错误变得越来越不明显,因此,总体的精度在整个空间范围内保持近似。
[0030] 使探测器环绕目标而非仅在一侧具有探测器还增加了目标在多个探测器视线内的可能性,并且减少了对多余探测器或目标的需求。
[0031] 优选地,该或每个目标由光发射体环绕,使光发射体环绕目标而非仅在一侧具有光发射体还增加了目标在多个光发射体视线内的可能性,并且减少了对冗余光发射体或目标的需求。
[0032] 当目标被光发射体或探测器环绕时,优选具有至少两个光发射体或至少两个探测器环绕目标,从而从分隔该至少两个探测器或至少两个发射体的目标处测量的角度约为90°。
[0033] 优选地,该或每个目标为无源的。因此,相对于具有有源目标的系统,可以以相对较低的成本将多个冗余目标引入系统。有了冗余目标,更有可能使给定物体的至少一个目标在多个发射体和/或多个探测器的视线内得到测量。
[0034] 优选地,该或每个探测器在其视野内可捕捉到多个目标的图像。
[0035] 在一实施中,该或每个探测器为数字摄像头,该摄像头具有足够的像素分辨率及速度,以适应系统需要的数据传输速率。足够的像素分辨率是指投射到探测器上的目标由足够的像素点构成,以得到符合标准的心迹线(centroid)位置:用于计算心迹线的像素点越多,得到的心迹线位置就越精确。在一些实施例中,目标图像在其直径上具有至少5个像素点。数据传输速率(帧速率)受摄像头和计算算法的限制,并且以正在测量的过程的速度需求为基础
[0036] 本系统优选的实施例提供有灵活性、精确性以及可量测性。系统可以通过使用较多或较少的探测器或发射体将空间缩放为不同的尺寸。
[0037] 优选地,该或每个目标大体为球状的,或者更优选地,该或每个目标为球体。球状目标的表面可作为透镜,将入射到外表面区域的光线聚焦到内表面直径对置的点上。从这一点处,一定比例的光线会反射到光线起初入射的区域。该区域的透镜效应则使光线沿其入射路径返回。球状逆反射器可以反射名义上的(nominally)准直射光束,其在沿入射路径处在其中心入射。类似地,在逆反射器上入射的光束的更宽的一部分会沿入射路径反射。
[0038] 球状逆反射器的优点包括它作为点源(point source)显示,并不会像最传统的摄影测量法目标一样被透镜扭曲。因此球状逆反射器排除了造成测量错误的重要因素。它们可以在球状逆反射器的中心上逆反射入射光,提高心迹线识别,这是摄像测量法系统精度的另一重要因素。因为无源球状逆反射器不含有电子电路,它们相比于有源目标还更廉价并更轻。
[0039] 优选地,该或每个目标从任何角度看都一样。从而对目标的识别不依赖探测器和目标之间的视角。这样可以避免随着角度的变化,探测器接收到逆反射光的数量以及目标的外观形状随之变化。
[0040] 优选地,该或每个目标包括玻璃,并且优选地,由玻璃构成。
[0041] 已经证明,当该或每个球状目标由折射率为 之间的固体材料构成时,它可以作为逆反射器,并且折射率为1.95到2之间时,工作效率最佳。
[0042] 优选地,每个光发射体从光源发射光线,更优选地,从激光源发射光线,其中每个光发射体发射的光线为激光光线。在一些实施例中,每一个光发射体包括这种光源。在其他实施例中,每一个光发射体包括光纤,该光纤从该光源处引导光线。在另一实施例中,至少一个光发射体包括这种光源,并且至少一个光发射体包括从光源处引导光线的光纤。提供激光光线有助于提供预设范围内的波长的光线,在该范围内,目标具有优选的折射率。在一些实施例中,光发射体不必具有光源。例如,可选地,可以利用单个源为多个发射体生成光线。例如,这可以是光纤耦合激光源,其中光纤分路器用于将激光光线分隔成多个部分,并且光纤可用于将每个部分传送到光发射体。
[0043] 在本发明一实施例中,每个光发射体配置为发射红激光光线,并且该或每个目标包括可使红光具有优选范围的折射率的玻璃。在一实施例中,该或每个目标由S-LAH 79玻璃构成,它在波长为632.8nm的光线下,折射率为1.996。
[0044] 优选地,系统包括多个探测单元,每个探测单元包括光发射体和探测器,其中每个探测单元的探测器可以探测并且测量起初由相同的探测单元的光发射体发射的逆反射光线。优选地,每个探测单元的光发射体固定在相同探测单元的探测器上。
[0045] 优选地,每个探测单元的发射体和光线路径满足从发射体到目标的光线路径与从目标到探测器的光线路径基本重合。每个探测单元的发射体和探测器优选地还满足从发射体到目标的光线路径长度基本等于从目标到探测器的光线路径长度。
[0046] 优选地,该或每个光发射体包括散光装置,用于使发射光线发散。这种散光装置例如可以是透镜或者曲面镜。这种散光的装置优选地配置为发散光线以照亮一基本为锥形的区域。
[0047] 配置该或每个光发射体,满足发射光线发散,例如呈锥体形状,意味着每个光发射体要比发射准直射光束的光发射体照亮更大的空间。因此,光线可以从更广的空间逆反射到该或每个探测器,并且该或每个探测器的视野可以增加。优点包括需要更少的探测器去监控空间。优选的,每个探测单元的探测器的视野为相同的探测单元的光发射体照亮的区域。
[0048] 优选地,该或每个探测器设置为探测直接逆反射到光发射体的光线,更优选地,每个探测单元的探测器设置为探测直接逆反射到同一探测单元的光发射体的光线。这可以解决现有技术中由发射体发射的与探测器探测的光线的光线路径不完全一致的问题。例如环绕在探测器上的环形闪光源,以及优选的光反射器,由于大部分的逆反射光直接返回到环形闪光源,而非探测器,因此会导致探测到的光不充足。因此,根据本发明优选实施例的探测器可最大化探测到的逆反射光。
[0049] 优选地,发射和探测光线的光线路径的重合可以通过穿过透镜照明的方式实现。优选地,该或者每个光发射体配置为沿或者在一轴线上发射光线,该轴线对应于相对应的探测器接收光线的轴线。该或每个光发射体包括用于引导光线的装置,配置为通过该或每个光发射体引导光线沿预设方向,并且引导逆反射光到探测器,优选为同一探测单元的探测器。该或每个引导光线的装置优选地包括透镜,但可以包括任何光导向装置,如曲面镜。
该或者每个导向光线的装置优选地还包括分束器。
[0050] 引导光线的方法包括,分束器可使光线横切探测单元发射的主要方向,引入到光发射体。
[0051] 优选地,为该或每个分束器补充四分之一波片,以最小化光损耗量。
[0052] 每一个探测单元可包括摄像头,以提供探测器。
[0053] 所有这些探测单元可以通过为每个图像采集应用共同的触发机制同步。
[0054] 本发明实施例可用于摄像测量法模式,其中该或每个探测器可配置为测量角度,其中逆反射光通过标准的摄像三角测量技术以该角度接收逆反射光线。这种由多个探测器或单个探测器在多个位置的角度测量可以通过处理器处理,为该或每个目标获取位置。
[0055] 这种模式的优点在于每次测量时几乎不用限制该或每个探测器需要放置的位置。
[0056] 摄像测量法模式优选地需要校准,如利用比例尺。
[0057] 为了协助该模式的校准,每一个探测器或探测单元可具有固定在其上的至少一个目标。利用上述技术,每个探测器的相对位置可以通过提供用于测量物体位置的基准坐标系统确定。这样可以减少校准系统需要的时间和技术需要,从而提供精确的测量。它还有助于漂移监控(drift monitoring),从而确保系统的精度。
[0058] 本发明实施例可用于多点定位模式,其中该或每个探测器配置为测量从各个探测器到该或每个目标的绝对距离。频率扫描干涉法是用于测量绝对距离的多种方法中的一种,例如通过调节或调整由该或每个光发射体发射的光线的波长。
[0059] 频率扫描干涉法是一种通过比较“基准”干涉仪的已知OPD,L,明确测量干涉仪两端之间光程差(OPD),D,的方法。例如,如果两个干涉仪使用相同的激光照明,然后调节频率间隔为Δυ,在基准干涉仪中引起的相位变化Δφ为
[0060]
[0061] 其中,c为光束。类似地,在未知干涉仪中引起的相位变化Δθ为[0062]
[0063] 未知长度,D,通过下方公式简单得到
[0064]
[0065] 本领域技术人员可知基础方案具有多种变型和改进。例如,对频域的分析可用于在多个目标中区分出同步照明的信号
[0066] 如果基准干涉仪的长度,L,已经被合适地校准,则在该或每个探测器与仪器的测量之间具有可跟踪性,它可以明显提高测量的准确性,由于环境影响,如由于沿光线路径上折射率的变化导致的光束弯曲,由长度数据确定的坐标通常要比由角度数据确定的坐标在数量级上更精确。
[0067] 然而,独立使用的话,频率扫描干扰仪不能够以高效计算的方式区分哪个测量距离与哪个目标相关联。然而可以采用尝试所有可能组合的“蛮”方法。
[0068] 本发明实施例可采用组合模式,即该或每个探测器配置为既测量接收逆反射光光线的角度,又测量从该或每个目标的各自探测器的绝对距离,其中光线从该或每个目标处逆反射。处理器可利用角度测量关联哪个距离测量对应哪个目标。一旦关联执行完毕,处理器利用绝对距离测量精确计算该或每个目标的位置。
[0069] 再者,没有必要测量该或每个探测器与该或每个逆反射器之间的绝对距离,也不需要与特定目标挂构。相反地,可以确定一系列不连续的可能范围,而“正确的”(或清楚的)范围是基于最有可能的选项进行选择,该选项由源于一个或多个探测器的距离数据以及/或者角度数据的探测器-目标的距离确定。
[0070] 优选的实施例提供了一种改进的位置探测系统和方法,基于全方位目标,结合了多点定位的精确性及摄像测量法的同步多目标性能,同时克服了视线问题,并增加了距离方面的准确性。
[0071] 优选地,具有多个探测器。
[0072] 如上文所描述的,尽管它的精度较摄像测量法有所提高,但是传统结合激光跟踪器执行的多点定位只能采用单个目标。然而,本发明优选的实施例通过使用角度测量去关联来自不同探测器的距离测量,可以利用更精确的多点定位技术去计算多个目标的位置。
[0073] 多点定位模式和摄像测量法模式的组合可以增加系统的鲁棒性和可靠性,因为目标坐标必要地源于两个超定系统的组合。
[0074] 处理器可以利用数学软件处理测量,采用数据融合及拟合算法。摄像测量法、多点定位以及数学软件的组合提供了灵活的、具有鲁棒性的、自我校准、漂移补偿的系统。它提供了更好的数据质量及更多的数据冗余。
[0075] 根据本发明另一方面,提供了一种确定物体三维位置的方法,包括:
[0076] 将目标固定在物体上,其中目标配置为作为从任何方向入射的光线的逆反射器;
[0077] 利用来自至少一个光发射体的光线照明目标;
[0078] 探测并测量从目标处逆反射的光线;并且
[0079] 处理逆反射光线的测量,从而确定目标的三维位置,并且进而确定物体的三维位置。
[0080] 本发明的特征与上述系统所描述的特征相对应。
[0081] 根据本发明一方面,提供了一种包括探测器和光发射体的探测单元,其中光发射体配置为沿着和在一轴线上远离探测单元发射光线,其中所述轴线对应于探测单元接收光线所在或环绕的轴线,所述光线由探测器探测。
[0082] 下面结合附图,仅作为示例,对本发明实施例进行描述,其中:
[0083] 图1所示为根据本发明一实施例中,目标应用于系统的示意图;
[0084] 图2所示为根据图1所示实施例中,用于测量物体的位置探测系统的示意图;
[0085] 图3所示为图1和图2所示实施例中,用于位置探测系统的手持探头的示意图;
[0086] 图4所示为用于图1至图3中所示位置探测系统的探测单元的截面示意图;
[0087] 图5所示为根据本发明一实施例,探测单元截面的示意图;
[0088] 图6所示为根据本发明一实施例,位置探测系统的示意图;
[0089] 图7所示为图6所示位置探测系统的示意概括图;
[0090] 图8所示为图6-7中所示位置探测系统中光纤分路器的示意图;
[0091] 图9所示为用于图6-8所示位置探测系统的波长基准的示意图;
[0092] 图10所示为用于图6-9所示位置探测系统的触发基准的示意图;
[0093] 图11所示为用于图6-10所示的位置探测系统的探测单元的示意图;
[0094] 图12(a)为图9中波长基准的元件气体(the gas of the cell)的吸收曲线的曲线图,而图12(b)为图12(a)曲线图的吸收线的详细曲线图。
[0095] 本发明实施例可以采用基于角度的测量以及/或者绝对距离测量。参考图1-5,采用基于角度测量的实施例如下文所述。
[0096] 参考图1,目标10包括玻璃球体。球体由S-LAH 79玻璃构成,它在波长为632.8nm的光线下,折射率为1.996。本实施例选择本材料的目的是为了采用红激光。然而,可以采用不同的材料,特别是当使用不同频率的光时。优选地,材料的折射率范围为从1.9到2.1,更优选地,对于所使用的光,从1.95到2。
[0097] 从图1中可以看出,入射到目标中心的光线沿路径16到目标10的区域12,并聚焦到与区域12完全相对的点14处。这是球状目标10的透镜化效应导致的结果。一定比例的光线从点14反射回区域12,而球状目标10的透镜化效应使反射光沿入射路径16返回到光源处。从而使目标10作为逆反射器。
[0098] 由于目标是球状的,因此它外表基本相同,并且在任何方向上均具有相同比例的入射光。因此,任何角度的入射光都会发生这种逆反射效应,并且对于任何方向的入射光,目标10都作为逆反射器。
[0099] 图2所示为使用图1所示的目标10的位置探测系统18的示意图。
[0100] 图2所示的系统18用于探测空间40内的物体38的位置。空间40例如可以是会堂或者较小的空间。系统18包括多个位于空间周围多个位置的探测单元20。每一个探测单元20安装在用于固定的三脚架22上。
[0101] 下文结合图4,对探测单元20进行描述。
[0102] 如图4所述,探测单元20包括探测器24以及包括光源26的光发射体。
[0103] 探测器24可以是任何适于探测并测量光线,包括光线入射角的探测器。这种探测器的示例包括高分辨率的CCD或CMOS传感器。
[0104] 光源26为激光二极管。在本实施例中,光源26配置为发射波长为632.8nm的红激光。然而,可以使用其他频率的光,包括红外或其他频率的可见光。此外,可以发射预定波长范围的光的其他光源也可以使用,如LEDs。优选地,光源为激光,并且其优选为线性极化的。
[0105] 单元20还包括位于第一组透镜30和第二组透镜32之间的极化分束器28。分束器28配置为与第一组透镜30和第二组透镜32同轴。在第一组透镜30和分束器28之后提供有四分之一波片29。四分之一波片可以改变光的极化作用,从而使其通过(而非反射入)立方分束器28,并在被目标反射之后到达探测器24。
[0106] 可以不采用极化分束器28,而采用非极化分束器,在这种情况下,就不需要四分之一波片29去改变极化作用。
[0107] 源26可操作地以横切第一组和第二组透镜30、32的轴线的角度向分束器发射极化光。提供有光纤电缆34,以将光线从源引导到分束器28。在本实施例中,光发射体包括光源26、光纤电缆34、分束器28以及第一组透镜30。然而在一些实施例中,源26不需要光纤电缆
34而直接发射光线到分束器28。
[0108] 分束器28可重定向来自于激光二极管26的光束,激光二极管26所述指向第一组透镜30并与之同轴。第一组透镜30配置为使光束发散,并且从探测单元发射,照亮空间40的锥形区域36。然而,区域36不一定是锥形的。光的任何发散方式都可以增加探测单元20的视野,并从而减少所需探测单元20的数量以及/或者减少在操作过程中需要重定向探测单元20的数量。
[0109] 这种设置还使第一组透镜30配置为使从区域36逆反射的光线指向分束器28。分束器28可使一些逆反射光线通过第二组透镜32。第二组透镜32配置为将来自于分束器28的光线聚焦到探测器24上,从而光线直接聚焦的探测器24的位置与相对于第一和第二组透镜30、32的轴线的角度关联,其中,光线在第一组透镜30处入射。
[0110] 在一些其他实施例中,不需要第二组透镜32。
[0111] 探测器24可测量探测到的光。特别地,探测器24可以测量相对于第一组和第二组透镜30、32的轴线的角度,其中利用上述的相关性,逆反射光在第一组透镜30处以该角度入射。
[0112] 上述探测单元20的优选实施例包括第一组和第二组透镜30、32。其中每个第一组和第二组透镜30、32包括多个透镜元件。然而,第一组和第二组透镜30、32可以分别用单个透镜替代。第一组和第二组透镜30、32可以一同省略。然而,在这种情况下,被光发射体照亮的区域36的大小就会受限,减少了探测单元20的视野。
[0113] 本发明实施例省略了分束器28以及四分之一波片29,但是光纤电缆34的一端引导光线沿第一组透镜30的轴。一实施例如图5所示。
[0114] 再次参考图2,如上所述,每一个探测单元20可以照亮空间40的一个区域36。探测单元20满足多个区域36被照亮,从而使整个空间40被照亮。
[0115] 在空间40内具有固定目标50,作为固定基准点以确定一坐标系。
[0116] 物体38具有多个固定在其上的目标10,该目标如图1所示。在一操作模式中,固定在物体38上的目标10可用于确定物体在由固定目标50限定的坐标系上的位置和方向。
[0117] 在另一操作模式中,探头42可用于测量物体38上的特征。下文会结合图3,对探头42进行更详细的描述。
[0118] 图3描述的探头42包括从探头针46处向外延伸的探头体44。探头针46可用于探测物体38。
[0119] 探头体44向外延伸在沿其长边及各个角度具有多个目标支撑物48,在该支撑物48上安装有图1所示的目标10。
[0120] 这样,探头42提供了一种方式,通过这种方式,即使探头针46不在探测单元20的视线内,依然可以对其进行定位。回到图2,如上所述,每个探测单元20具有多个固定在其上的如图1所示的目标10。探头42可为手持的,以提供手动探测性能。
[0121] 该固定目标50可以是多个基准目标50的形式,包括一个在三脚架上或者其他形式的支撑物或固定物上的目标10,该目标位于空间40内的多个位置,以提供基准点,固定在物体38上的目标的位置可以与之进行对比。如果系统只在摄像测量法模式下操作,基准目标50可以提供尺寸基准,从而将比例引入到系统中,通过其角度数据可以转换为长度。
[0122] 探测单元20均为同步的,并配置为与一中央处理器(未示出)通信。该通信是通过无线设备连接的。然而,其他通信方式,如有线连接也可以使用。
[0123] 每个探测器配置为传送所有对中央处理器的测量。
[0124] 该系统18的优选操作如下文所述。
[0125] 首先,系统18被校准。校准的一种可行方法为使用包括多个目标50的三维制品,该目标配置已知,并且已经被独立测量,如利用激光跟踪器。
[0126] 多个探测单元20位于空间40周围。操作每个探测单元使得源26发射光线。
[0127] 由源26发射的光通过光纤电缆34传送到分束器28。
[0128] 分束器28重定向光线到第一组透镜30,其使待发射的光线发散,从而照亮空间40的区域36。
[0129] 多个探测单元20配置满足固定在每个探测单元20上的至少一个目标10在至少两个其他探测单元20的区域36之内。如上所述,多个固定的基准目标50可位于空间40内。
[0130] 如图1所示,入射到目标10或50的来自于其中一个探测单元20的光线被逆反射到起初发射光线的探测单元中。
[0131] 入射到起初发射光线的探测单元24的第一组透镜30的逆反射光通过四分之一波片29以及分束器28被第一组透镜30导向,并且由第二组透镜32导向到探测器34。
[0132] 每个探测单元20的探测器24测量探测器24的位置,即探测光的位置。从该数据,计算相对于第一组和第二组透镜30、32的轴线的角度,其中光线以该角度入射到第一组透镜。
[0133] 每个探测器24将这些测量结果传送到中央处理器。
[0134] 操作中央处理器,以处理来自每个探测单元20的测量,从而通过光束法平差算法确定探测单元20的相对位置(在一些实施例中为摄像头的相对位置)。本领域技术人员对光束法平差很熟悉,其中在单个数学模型中,同步计算探测单元20或者摄像头(焦距、位置、方向等)的内部和外部方向,以及无限个目标及探测单元20的目标坐标。该技术基于共线方程,它将像平面上的2D目标坐标与物空间内的目标的3D位置以及探测单元/摄像机的3D方向和位置关联。例如
[0135]
[0136] 以及
[0137]
[0138] 其中xo和yo为主点偏移(principal point offsets)(从图像中心到光轴与像平面的交叉点),x和y为像平面的2D目标坐标,f为焦距,索引值rii为探测单元/摄像头的3*3旋转矩阵的元素,(X,Y,Z)为物空间内的3D目标坐标;而(X0,Y0,Z0)为探测单元/摄像头的3D坐标。
[0139] 测量可利用常用求解算法处理,如最小二乘拟合算法,其中上述共线方程(探测单元/摄像头可见的每个目标具有两个方程,不限制目标或者探测单元/摄像头的数量)的很多实例被同步求解。本领域技术人员可知最小二乘方法固有地为严格的不确定计算。
[0140] 由于基准目标50的位置已知,这提供了探测单元20位置。可以通过一基准坐标系校准系统18,参考该系统,待测量对象38的位置可以如下文所述方式确定。
[0141] 一旦校准系统,就可以探测对象38的位置。
[0142] 多个目标10以及/或者一个或多个探头42可用于探测目标38。
[0143] 然后如上文所述操作探测单元20,但是现在固定在物体38上的目标10以及基准目标50由探测器24探测。操作探测器24,如上文所述进行测量,并如上文所述将这些测量结果传送到处理器。
[0144] 利用由探测单元20的相对测量确定的基准坐标系统,固定在物体38上或者作为基准目标50,在多于一个探测单元20视野内的目标10的相对位置被计算。
[0145] 从而对象38的相对位置被确定。
[0146] 然而,系统18的校准不必作为独立的步骤在物体38的位置被探测之前执行。系统18的校准可以在计算物体38位置的同时执行。在系统18操作过程中持续性地执行校准可以提供漂移监控,从而确保系统持续的精确性。
[0147] 参考图6-12,使用绝对距离测量的实施例如下所述。
[0148] 图6所示为使用目标110的位置探测或测量系统118。目标110对应于图1所示的目标10。
[0149] 图6所示的系统设计为探测空间140内的物体(未示出)的位置。系统118包括多个位于空间140周围多个位置的探测单元120。
[0150] 图7为测量系统118的示意概括图。来自于光源的可调节激光126形式的光线,优选地在波长为1530nm和1560nm之间操作,通过光纤传送到掺铒光纤放大器(EDFA)152。该EDFA 152放大光线,增加其能量。EDFA 152的输出通过光纤传送到光纤分路器树(fibre splitter tree)154。该光纤分路器树154将到达其入口的光线分布在多个出口中间。这些输出包括频率基准156、触发基准158以及一个或多个测量头120形式的探测单元。频率基准
156、触发基准158以及测量头120中的每一个均产生一个或多个电信号,该信号被ADC 160数字化。由ADC 160存储的数据被发送到计算机162,用于分析和存储。
[0151] 图8所示为光纤分路器树154的示例示意图。该光纤分路器树包括一系列2*2的光纤分路器,其配置为将传送到输入光纤的光线分布到多个输出光纤中间。图8所示的示例中,光线在8个输出光纤中平均分布,然而光纤分路器的不同设置可用于均匀或者不均匀地分布光线到不同数量的输出光纤。
[0152] 图9所示为频率基准156。来自其中一个光纤分路器树154的输出的光线发送到频率基准156。它离开光纤端部,并且被准直透镜164校准为自由空间光束。该光束通过一板分束器(plate beam splitter)166分成两部分。第一部分分隔光束指向监控光电二极管168。第二部分分隔光束穿过包含气体,如乙炔的透明元件170,导向元件光电二极管172。校准光束穿过的玻璃分束器166是具有角度的,或者为楔形的,从而将不需要的反射导向远离光电二极管168、172的方向,从而使它们不会干扰测量。
[0153] 图10所示为触发基准158。来自其中一个光纤分路器树154的输出的光线发送到触发引用的光纤输入口,在这里它通过50:50光纤分路器174导向。离开该两个光纤分路器174的输出的光线在第二个50:50光纤分路器176处重新结合之前通过光纤段。该两个50:50光纤分路器174、176以及连接它们的光纤形成了赫-曾德干涉仪。两个50:50光纤分路器174、176中间的两段光纤长度不同,经过每个臂的光线就形成了光线路径差。离开第二个
50:50光纤分路器176的每个输出的光线指向一对光电二极管178、180中的其中一个。这些光电二极管优选为平衡式光电子二极管,一对具有相似增益特性的放大光电二极管。该两个光电二极管178、180的电输出发送到差分放大器182。该差分放大器182的输出为与两个光电二极管信号成比例的信号,它被发送到一零点比较器184。该零点比较器184输出布尔逻辑值,指示输入信号的符号(正或负)。零点比较器输出的上升沿用于在ADC 160中对从频率基准156和测量头120中获取的数据的取样进行触发。
[0154] 图11为测量头120的示图。每个测量头120都有来自于其专用光纤分路器树输出的光线。该光线进给到测量头120的输入光纤。然后沿光纤段186到光纤循环器188的端口1。进入光纤循环器188的端口1的光线从光纤循环器的端口2输出,其中它沿光纤段190,到达光纤端部。光纤端部为平展润色的(flat polished)(即光纤末端的平面与光纤的主体所在的线垂直)。到达光纤末端的光线中约有4%向光纤循环器188的端口2方向反射,进入到光纤190。进入到循环器188的端口2的光线从循环器188的端口3处输出到光电二极管200形式的探测器。
[0155] 循环器188与光纤端部之间的光纤段190要保持尽量短(如10cm),并且理想状态下,满足光纤190上的光纤路径长度要短于最小测量距离。这种考虑是源于在该段光纤上朝光纤端部传送的光线的瑞利散射。瑞利散射光线产生一种噪音部分,该部分仅影响短于光纤光线路径的测量长度。因此,通过使该光纤段的光线路径长度短于最小测量距离,就可能使测量不受噪音部分的影响。
[0156] 从光纤端部发出的光线为锥形区域的光线。该测量头在锥形区域光线内对目标110灵敏。通常,改变从光纤端部发送的光线照亮的角度范围是有益的,从而改变测量头120灵敏的角度范围。该图像显示了一种简单的用于增加照亮角度范围的双凹透镜。然而,也可能是不同的改变照亮角度范围的方法,例如曲面镜、衍射光栅或者空间光调制器;还可能是不同的照亮角度的配置,例如利用柱面镜。
[0157] 图6所示为多个测量头120在测量空间140周围的示例排列。在本示例中,测量空间由一空间构成,在该空间内的目标110在所有测量头的探测空间136范围之内。如果目标110和一个测量头120之间的视线被遮挡,由于存在从目标110到足够的其他测量头120之间的视线,这种排列依然可以执行测量,从而确定目标位置。测量头120的其他设置也是可能的。
[0158] 测量包括以一种标称线性的方式(nominally linear manner)改变可调节激光126的波长,同时同步记录频率基准156以及测量头120和ADC 160的电压。这些测量被周期记录,由上文讨论的触发基准158确定。然后这些数据被发送到电脑162,用于分析,分析的结果给出关于测量头120和目标110的相对位置的信息。
[0159] 部分激光能量通过EDFA 152和分路器154到达触发基准158。在触发基准中,马赫-曾德耳干涉仪产生两个信号,相位差为180度,随着激光频率标称正弦曲线变化。这些信号由光电二极管检测,并且差分放大器182输出两个信号的差异。这种差异信号本身为正弦信号,但偏移电压为0。比较器184在差分放大器182的输出产生方波信号。该信号被发送到ADC的采样触发输入。如上文所讨论的,在触发信号的上升沿,ADC从频率基准和测量头中采样数据。
[0160] 部分激光能量通过EDFA 152和分路器154到达频率基准156。频率基准156的目的在于,在激光频率扫描期间,提供多个点上激光频率的信息。在频率基准的元件170内的气体吸收通过其的一些光线。吸收光线的比例取决于激光频率。吸收比例相对于频率(或波长)的曲线称为吸收曲线。典型的吸收曲线如图12(a)所示。它包括基本透明的基线,以及多个吸收线;强吸收的窄波长区域。其中一个吸收线的详细情况如图12(b)所示。多个这些吸收线的中心波长已知,并且值高度稳定。
[0161] 频率基准中记录没有通过元件的光线的监控光电二极管168的目的是,在测量期间,弥补激光能量的波动。由元件光电二极管172记录的电压信号被记录在监控光电二极管168的电压信号分隔。在现有激光波长中,就构成了与元件吸收成比例的光线,并且不受激光能量变化的影响。
[0162] 在整个激光频率扫描的过程中记录光电二极管的电压。在测量过程中,激光波长位于吸收线中央的时候例如可以通过对记录数据执行最小二乘拟合发现。在这些时候,就得知激光波长的值为与吸收波峰的中心波长相对应的波长。
[0163] 在每个测量头120中,从光纤190端部反射的光线形成干涉仪的基准臂。从光纤端部发发射、从目标处反射以及耦合回到光纤190的光线形成干涉仪的另一个臂。来自于这两个干涉仪臂的光线离开循环器188的端口3,并且由探测器光电二极管200引导。在该两个干涉仪臂的光线之间的干涉在光电二极管上产生了强烈的信号,Idet,
[0164]
[0165] 其中Iref和Imsas分别为基准和测量臂的单独强度,D为基准和测量臂之间的光线路径差,而V为激光频率。
[0166] 如果测量头120的视野范围内具有多个目标110,则会产生多个干涉信号,例如在基准臂和测量臂之间,或者在测量臂之间。通常,由于与基准臂相比,在测量臂上的能量要小的多,因此只有基准臂和每个测量臂之间的干涉是可以观测到的。
[0167] 计算来自于每个测量头120的记录信号的傅里叶变换。这包括波峰,波峰的频率与到目标的距离成比例,加上由于穿过折射率大于1的材料(如玻璃形成散光透镜及玻璃形成目标)而造成的额外光线路径长度导致的偏移频率,该偏移频率必须校准。该偏移频率可以利用几何知识以及涉及材料的折射率,或者将偏移作为参数引入到最小二乘拟合过程,从而确定测量头和目标的位置,这将会在下文中进行描述。这些傅利叶变换的波峰被定位,并且其频率被确定(利用,通过使用最小二乘拟合方法),从而每个测量头20具有一组测量频率。
[0168] 一旦减去校准偏移,这些频率与到目标的距离成比例。通过频率基准156计算出比例常数。由于使用触发基准158,以激光频率为δν的常量间隔下采样数据。通过等式(1),进而可得测量频率为:
[0169] f=2πDδv/c   (2)
[0170] 变换公式(2),可以用来计算D,
[0171] D=fc/2πδv.   (3)
[0172] 利用频率基准156计算未知的δν。已知的频率基准Δvdiff的吸收波峰的中心被定位,例如最小二乘拟合每个波峰附近的数据。计算两个波峰之间的采样m的数量。需要注意的是,由于波峰本身的定位精度好于1个采样,因此需要以好于1个采样的精度完成。然而有可能根据公式δv=Δvdiff/m计算δν。
[0173] 已知δν,可利用公式(3)计算对应于每个测量频率的D。本领域技术人员可知道D对应于光线路径差,以及计算从此处起的精确物理距离需要计算周围空气的折射率。这是常规程序并且能够完成,例如可以通过测量空气的温度和湿度,并且利用多个将这些量与折射率相关的等式中的任何一个,确定周围空气的折射率。
[0174] 起初无法得知哪个目标110对应于哪个测量距离。因此为了确定,必须执行目标识别算法。输入来自于每个传感器的距离测量集合,以及可选地,一些测量头120或目标110的相关位置的先验信息,进行算法。通过此,它可以确定来自每个测量头120的哪一个测量距离对应于哪个目标110。这例如可以通过在下一步分析所有可能的目标排列,并选择出与数据最匹配的一个完成。
[0175] 当测量距离与目标之间具有对应时,可通过对测量头和目标之间的测量距离进行最小二乘拟合,从而确定所有测量头和目标的相对位置。
[0176] 可以对上述实施例做出修改。例如,参考图2-5描述的位置探测系统18可与结合图6-12描述的测量系统118结合,从而提供一可同时提供基于角度和绝对距离测量的系统。在一该变型中,系统18的探测单元20可以将参考图6-12描述的测量头120的特征并入到其中。
[0177] 上文所述系统在多个行业可以得到应用,特别是组装和生产高价值的部件和组件、计量引导加工(metrology guided machining)、计量辅助装置、无夹具生产、混合计算方案以及一般的坐标系统。
[0178] 它可以用于部件和组件的一般测量,例如确定这些部分和组件的精确尺寸以及/或者相对位置和方位。
[0179] 由于不同的探测单元20以及/或者测量头120同时进行测量,系统可以在一精确的时间点及时探测任意给定目标10的位置,而不是计算一个时间段的平均值。因此,系统特别应用于以6个自由度(degrees of freedom)精确跟踪移动物体的情况。这在组装部件需要移动从而连接或精确对齐的复杂装置时是有帮助的。来自不同探测单元20以及/或者测量头120的同步测量可以减少位置计算过程中的误差,从而减少组装构造时的误差。因此可以在测量辅助及计量辅助组装和无夹具组装中得到应用。
[0180] 可以有益地应用本发明实施例的复杂装置的组装的示例包括用于组装飞机的部件,如机身,的航空航天业。然而,其他测量辅助组装系统也可以有益地应用于上述系统。
[0181] 同组装一样,上述系统可以有益地应用于机器人控制和导引,从而监控已经存在的装配,例如可以确定其持续的稳定性。可以通过本发明实施例的系统有益监控的示例包括装配夹具、轮机以及机器工具。上述系统的可能的精密并准确的测量可以准确并且及时地探测出漂移和未对齐,从而提高性能和安全性,并且维持装配的较准。
[0182] 发射光线的发散可以照明譬如一锥形区域,从而可以持续监控较大的空间。这使得本发明实施例的系统适于实时跟踪移动中的物体,如在航天飞般上的重力分析应用,从而跟踪自由漂浮的物体。
[0183] 本发明实施例的其他应用包括如电影和电视行业、以及汽车、发电、防御以及太空技术,例如结构的热真空测试。
[0184] 本发明实施例还可以用于一般的对齐测量及变形分析,如测量如风轮机等大型结构体的动态变形。
[0185] 所述实施例及从属权利要求的所有的可选和优选特征和变型都可以用于本申请涉及发明的各个方面。此外,从属权利要求的各个特征,以及所述实施例的所有可选的和优选的特征和变型都是可结合并且可互相替换的。
[0186] 本申请要求英国专利申请NO.1205563.8的优先权,并且在摘要部分中,该申请通过引用并入本文中。
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