六维激光跟踪系统及方法 【技术领域】
本发明的系统和方法，一般涉及激光跟踪系统。具体地说，本发明的系统和方法是以六维(6-D)激光跟踪系统为目的的。
背景技术
精确的测量系统具有各种各样的应用。例如，在执行装置中，常常需要自动装置的精确定位和定向。要获得高度精确，可采用自动装置位置测量系统。这样的一种系统通常采用激光光束干涉仪来测定自动装置的末作用器的位置和/或方向。这个系统在提供精度，速度和测量数据的同时，能监控自动装置的末端作用器的位置和方向。
例如，在第4,714,339号申请人的专利中讨论了三路和五路的激光跟踪系统，并在第6,049,377号美国专利中讨论了五路和六路的激光测量系统，这两文都通过整篇引用结合在此。
【发明内容】
本发明地系统和方法应用了跟踪单元和有源目标物的结合来实现六维激光跟踪。具体地说，这六维是有源目标物的俯仰角，迎角和滚动和目标物的球面坐标，即相对于跟踪单元的目标物的两个角α，θ和径向距离。通过采用有源目标物，该有源目标物坐标与入射光束保持垂直关系。另外，通过应用绝对距离测量技术，进行绝对的距离调整是可能的。
一般，建立在俯仰角和迎角上的测量可从有源目标物上存在的编码器推导出来。滚动测量可根据，例如，偏振或电平技术(在后面讨论)。绝对距离(ADM)测量可采用，例如，阶段脉冲的重复时间，脉冲激光，相位/强度调制等来完成。
准确地说，建立在阶段重复时间(RTOF)的系统包括光探测器，诸如PIN光探测器，激光放大器，激光二极管和频率计数器。把第一个激光脉冲发射到目标物。当检测到返回的脉冲后，探测器马上就用由频率计数器检测到的脉冲触发激光放大器并造成激光二极管发射第二个脉冲。不过，要知道，逆逻辑工作也将获得相同的成功。于是，离跟踪单元的目标物距离(D)由
D=C4[1f-1f0]]]>
给出，
这样，
D＝0；f＝f0
此处c是光束，f0是参考频率，而f则是脉冲频率。
本发明的系统和方法具有各种应用。一般，本发明的系统和方法能监控客体的六维自由度。例如，本发明的系统和方法能用于结构装配，实时对准和反馈控制，机器的工具校正，执行装置位置控制，位置跟踪，铣削机床控制，校正部件装配等。
另外，采用6-D激光跟踪系统的本发明的系统和方法适用于自动执行装置技术。例如，可把6-D激光跟踪系统编入自动装置中，就是，好比说，可对各种客体定标，这样，例如，可获得这些客体和/或在客体上特定位置处完成的各种功能的精确测量。
根据本发明的一示范性实施例，本发明的各个方面来说明与6-D激光跟踪系统的关系。
本发明的另一方面涉及根据从偏振的激光头测量来测定滚动。
另外，本发明的诸方面涉及连同跟踪单元的有源目标物的设计与使用。
另外，本发明的诸方面涉及在执行装置器件上有源目标物的采用。
本发明的另一些方面还涉及结合有源目标物技术的遥控自动装置有关。
本发明的这些和其它特性以及优点从实施例下面的详细描述中加以描述，且是明确的。
附图简述
本发明的实施例，参考下面的诸图，将作详细的描述，其中：
图1示出根据本发明示范性的6-D跟踪系统；
图2是示出根据本发明滚动测定系统的方块图；
图3是示出根据本发明示范性的俯仰角，迎角，滚动和距离测量系统的方块图；
图4是根据本发明装入有源目标物系统的示范性遥控自动装置；
图5是根据本发明遥控自动装置的横截面图，以及
图6是根据本发明示出取得测量结果的示范性方法的流程图。
【具体实施方式】
图1示出示范性6-D激光跟踪系统。具体地说，该激光跟踪系统包括跟踪单元100和有源目标物150。该跟踪单元100发射一束或几束激光110，它与有源目标物150有联系以测定输出装置200输出的六维测量值。具体地说，所示六维是有源目标物的俯仰角，迎角和滚动以及跟踪单元100的球面坐标，且转换成笛卡尔坐标一次。
正如在申请者前面专利中所讨论的，俯仰角，迎角和球面坐标测量可根据各种技术。例如，俯仰角和迎角测量可根据，好比说，滚动的编码器。
另外，距离测量可根据，例如，脉冲激光结构，阶段脉冲的重复时间，激光光束的相位和/或强度调制等。这些各种各样的系统可提供有源目标物的绝对距离调整。因此，在距离测量可开始以前，该有源目标物不需返回到已知位置，诸如与一无源目标物那样。准确地说，绝对距离测量技术可用于测定近似的初始距离，于是，依据干涉仪的技术用于改善该初始距离的测量结果。
跟踪单元100和有源目标物150可以是，例如，装有发动机的单元，它使跟踪单元100和有源目标物150的一个或多个部分保持与从跟踪单元100发射的入射激光光束110在垂直的方向上。因此，通过滚动编码器与使用来自一个或多个光探测器位置信号的发动机的组合，可以保持有源目标物与入射激光光束110相垂直。例如，通过万向支架型固定和相关的诸如步进马达，侍服马达和/或编码器的采用，该有源目标物“跟踪”该跟踪单元100。根据有源目标物对入射激光的关系，该6-D激光跟踪系统能够测定有源目标物的方向。换句话说，目标物可以是无源装置，例如，对于诸如直角的手动装置，使用人应负责目标物和跟踪单元100间的位置保持直线。
跟踪单元100也能通过把绝对距离测量和干涉仪电子设备这两者装入万向支架的部分而小型化。这能提供包括重量减少，尺寸减小，外部速接的极小化，较快的跟踪速度等各种典型优点。
通过有线或无线的链路5，连接到一个或多个跟踪单元100和目标物150的输出装置200输出关于目标物150的位置信息。例如，输出装置200可以是计算机，用于位置控制装置的反馈输入，显示器，导引系统等。一般，输出装置可以是任何可输出目标物位置信息的装置。
另外，一束或多束激光110可用于把关于目标物150的位置信息传回到跟踪单元100。例如，在初始距离测定后，用于绝对距离测量的激光可用于数据联系和用于建立在用于径径距离测量的激光干涉仪上。换句话说，一专用的激光器可装入到能在目标物和目标物单元之间的专职联系的系统中。
图2示出根据本发明用于测定滚动的典型系统。具体地说，该系统包括位于跟踪单元中的激光光源，诸如激光头(未示出)，偏振激光光束210，偏振光束分离器220，第一光探测器230，第二光探测器240和诸如微分放大器的滚动测定电路250。
在工作中，激光光源100发射由偏振光束分离器220所接收的偏振激光光束210。偏振光束分离器把入射光束分离为两条激光路径。第一路径向着第一光探测器230传播，而偏振激光光束210的第二光径则向着第二光探测器240传播。当偏振激光光束遇到偏振光束分离器220时，由于光束分离器220性质的结果，该偏振激光光束210被分离为水平偏振和垂直偏振的两个分量。光束的水平偏振部分经过偏振光束分离器220通到光探测器240，它产生相应于光束水平偏振部分强度的输出信号。光束的垂直偏振部分由光束分离器220传播到光探测器230上，它也产生相应于光束垂直偏振部分强度的信号。可把光探测器230和240的强度测量结果分别连接到，例如，高增益微分放大器250的正、负输入端，该放大器提供代表在激光光源100和有源目标物150之间滚动的输出信号。
根据在跟踪单元100和有源目标物150之间确切的滚动定向，偏振激光光束210分离为两束不同的偏振部分。在45°的滚动方向处，光探测器230和240将接收到相同的强度。不过，当有源目标物150在两个方向中的任一方面滚动时，探测器中的一个探测器将比另一探测器接收到较强的偏振激光光束。在这些输出间的差别是通过，例如，微分放大器250来测量的，以提供滚动读数。微分放大器250的这种减法操作也有利地补偿诸如由在光束强度和/或背景光中的不稳定所产生的背景和外来的噪音。
准确地说，通过光探测器230和光探测器240这两者不但都可测量可能出现的其它信号噪声，而且还能测量光束输出中的变化。这些变化可由微分放大器的操作而加以拒绝。这样，举例来说，提高了系统的灵敏度和准确性。
该代表滚动的信号可输出到，例如，装备有软件的计算机(未示出)根据滚动测量结果可记录，分析或触发更多动作。
另一方面，也可用其它技术来测定滚动。这些技术包括，但不限于，电平，诸如建立在摆锤上的技术，导电的液体毛细管技术，液态汞反射传感器，或者，一般来说，任何能测定目标物滚动的技术。
图3示出用于6-D激光跟踪系统的示范性方向测定部件。具体地说，6-D激光跟踪系统10的部件包括跟踪单元100中的激光光源，偏振激光光束310，光束分离器320，三面直角棱镜330，聚光透镜340，两维光探测器350，第一光探测器230，第二光探测器240，偏振光光束分离器220和滚动信号测定装置250。
在工作中，跟踪单元100中的激光光源发射偏振激光光束310，它被光束分离器320分离成三条光束路径，分别向着聚光透镜340，三面直角棱镜330和偏光束分离器220传播。
向着聚光透镜340传播的这条光束路径被聚焦到两维光探测器350，从它导出驱动用于有源目标物发动机的俯仰角和仰角的信号，具体地说，当有源目标物150相对于激光光源100移动时，经过聚光透镜340传播的激光路径相对于2-D光探测器350移动。可探测到这个移动并获得代表该俯仰角和/或迎角测量结果的对应信号。于是，正如上面所讨论的，该俯仰角和/或迎角的测量值可用于控制在有源目标物150上的一个或多个发动机以维持有源目标物150垂直于跟踪单元100的方向。
直接经过光束分离器320的偏振激光光束310的光束路径由三面直角棱镜330反射并回到跟踪单元100。于是，跟踪单元100，正如在申请人的有关专利中讨论的，能测定在有源目标物150和跟踪单元100之间的距离。不过，要知道，可采用任何测定绝对距离测量的方法，能取得用本发明的系统和方法的同样成功。
由光束分离器320所反射的、并向着偏振光束分离器220传播的光束路径用于测定滚动测量，如上面所讨论的。由有源目标物形成的滚动，俯仰角和迎角测量连同跟踪单元100形成的球面坐标组合一起，使跟踪系统获得有源目标物的六维跟踪。
图4示出示范性执行装置的有源目标物400。该执行装置的有源目标物400包括多个吸盘型器件410，驱动机制420，控制器430，辅助部件440，吸盘力装置450和有源目标物460。执行装置的有源目标物400也包括诸如电源，电池，太阳电池板等各种其它部件，为了清楚起见就把它们省略了，而对本领域中的普通技术人员来说他们是易于理解的。
在工作中，有源目标物460连带执行装置的有源目标物400的组合使自动装置，例如，精确移动和位置跟踪。尽管在下面讨论特定的执行装置有源目标物，但要知道，一般来说，可把有源目标物可固定地附着到任何客体上以能监控客体最多可达的六个自由度，或另一种说法，把有源目标物附着到可移动的装置和那个受监控装置的位置上。
把吸盘型器件410通过，例如，软管连接到吸力装置450，这软管能使自动装置400继续附着到一表面。例如，与吸力装置450和吸盘型器件410连带在一起的控制器430能与驱动系统420合作，使自动装置400能来回移动于表面。例如，吸盘型器件410和驱动机构可以合作使得有足够的吸力施加到吸盘型器件410使自动装置400附着在一表面，而仍能使驱动机制420在该表面上移动自动装置400。例如，驱动机制420可以是四轮的，和相关的驱动与悬挂元件(未示出)，如图解说明。该轮子能让自动装置400在一表面上来回移动而保持自动装置相对于跟踪单元100的滚动方向。不过，一般来说，当操作自动装置400使得相对于跟踪单元100的滚动方向保持恒定是较为简单时，可连同采用偏振激光来改进这些系统以解释任何可能产生的滚动运动的原因。准确地说，例如，根据偏振激光来解释自动装置400的任何滚动的原因，则自动装置400的滚动运动可在算法上“退出”方向测量。
但要知道，尽管示范性自动装置包括吸力装置450和吸盘型器件410，任何装置，或器件的组合，只要它们能把自动装置也可移动地固定到一表面就会与本发明的系统和方法工作得同样好。例如，根据表面类型可使用磁性的，重力的，电阻性的，或相似类型的附着系统。
控制器430可以，举例来说，与遥控器(未示出)以有线或无线方式联系，与驱动机制420合作来引导自动装置400。例如，驱动机制可以是连接到驱动轮420的多个电动机，等等。
辅助部件440可以是，例如，打印装置，诸如穿孔器，涂漆配件，焊接或切割装置，或任何其它已知的或今后发展的、需在一表面上精确放置的装置等的设备。辅助部件可与控制器430合作举例来说，遥控启动。
由于辅助部件440放在离有源目标物460一已知的距离，所以辅助部件440的确切位置总是知道的。因此，使用人可把辅助部件440放在确切的位置上，以致该辅助部件440可以那个位置上完成动作。例如，可把与条状照相机类似的本机效果传感器，Moire条纹专利传感器，或接触探针附着到目标物的端部。当本机传感器在测量诸如车身，大厦，在周围有毒区域中的部件等部件轮廓等时，与有源目标物组合起来的跟踪单元可在与待测部件的空间关系中提供本机传感器的方向。
图5示出示范性自动装置400典型的横截面图。除与有源目标物460有联系的位置传感器之外，移动距离测定装置540从自动装置400的基座延伸到表面510。距离测定装置540测量在有源目标物460和表面510之间的确切距离，这样相对于有源目标物460的表面510确切距离总是知道的。
如图5所示，吸盘型器件410通过隔层530放在表面510上的固定位置上。例如，隔层530可以是支承座，或其它相当的器件，这种器件当在自动装置400和表面510之间仍能让空间520产生吸力时，仍能使吸盘型器件410保持在表面510上固定的位置。
给定自动装置400的移动率，自动装置可能并不总是与跟踪单元100有联系是可预见到的。结果自动装置失去与跟踪单元100的视线，于是，6-D激光跟踪系统可进入搜索模式。在这模式中，使用人能，例如，用操作杆在自动装置400的附近通常对准跟踪单元。然后，跟踪单元100开始目标搜索过程，在这过程中，跟踪单元开始一种旋旋型的方式，它盘旋着向外来找出有源目标物。在搜索好目标物后，就在跟踪单元和有源目标物150之间建立联系，而六维测量可再次工作了。
用一种可替换的方法，例如，有源目标物150可通过无线电通信链路保持与跟踪单元100联系，或通过其它已知的或今后开发的系统，这种系统不论是否存在视线，能让跟踪单元100来跟踪有源目标物150的相对位置。因此，当重新建立视线时，如上面所讨论的，六维测量可工作了。
图6示出根据本发明示范性实施例进行测量的典型方法。具体来说，控制在步骤S100开始并继续到步骤S110，在这步骤中建立跟踪单元和目标物之间的联系。例如，对依据干涉仪的系统，可把目标物放在已知的位置上，不但来启动系统，而且与跟踪单元建立联系。对绝对距离测量系统，目标物置于与激光有联系的地方，从而获得近似的径向距离(R)。接着，在步骤S120中，目标被放在待测点上。然后，在步骤S130中，获得俯仰角，迎角，滚动和球面坐标。然后，控制持续到步骤S140。
在步骤S140中，球面坐标变换到迪卡尔坐标(x，y，z)，此处x是目标物的水平位置，y是其进/出位置而z则是其上/下位置。然后，在步骤S150中，输出位置的测量结果。然后，控制持续到控制程序结束的步骤S160。
如图1-5所示，6-D激光跟踪系统10可以或是在单一编程的通用计算机上或是在分开编程的通用计算机上和相关的激光的产生和探测，电动机和旋转的编码器部分来实现。不过，6-D激光跟踪系统各种各样的部分也可在专用的计算机，编程的微处理器或微控制器和外围集成电路元件，ASIC或其它集成电路，数字信号处理器，诸如分裂元件电路的硬线电子或逻辑电路，诸如PLD，PLA，FPGA，PAL的可编程逻辑器件或类似的器件上实现。通常，任何能实现一种状态机的装置，它接着又能实现在本文所讨论并在图6中所示的测量技术的装置可用来实现根据本发明的6-D激光跟踪系统。
而且，在采用客体或定向客体软件开发环境的软件中，能容易实现所揭示的方法，这开发环境提供能用于种种计算机或工作台硬件平台的便携式源码。此外，所揭示的6-D激光跟踪系统可在采用标准逻辑电路或VLSI设计的硬件中加以部分或全部地实现。是用软件还是用硬件来实现根据本发明的系统是取决于系统的速度和/或效率要求，特定的功能，及特定的软件和/或硬件或所应用的微处理器或微计算机系统。不过，本文所说明的6-D激光跟踪系统和方法，能在采用任何已知的或今后开发的系统或结构，装置和/或软件中容易地被那些在应用技术方面的普通技术人员从在本文所提供的功能描述和一般计算机和光学技术领域的基础知识来实现。
何况，当软件在已编程的通用计算机，专用计算机，微处理器等的装置上执行时，能容易地实现所揭示的方法。在这些情况中，当一程序放在诸如Java或CGI手写体的个人计算机上时，当一资源保存在服务器或图示工作台上时，当一例行程序放在专用的6-D激光跟踪系统等的装置中时，能实现本发明的方法和系统。通过在实际上把该系统和方法结合到软件和/或硬件系统，诸如6-D激光跟踪系统的硬件和软件系统，也可实现6-D激光跟踪系统。
所以，已经根据本发明提供了用于6-D激光跟踪的系统和方法这一点是显然的。尽管已经结合多个示范性实施例描述了本发明，但显然，对在应用技术方面的普通技术人员来说，有许多替换，修改和变化将成或就是明知的。因此，本发明企图包括在本发明的实质和范围内的所有这种替换，修改，同等物和变化。