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CN117331090A - 主动地跟踪激光跟踪仪的姿态探头 - Google Patents

主动地跟踪激光跟踪仪的姿态探头 Download PDF

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CN117331090A
CN117331090A CN202311283005.5A CN202311283005A CN117331090A CN 117331090 A CN117331090 A CN 117331090A CN 202311283005 A CN202311283005 A CN 202311283005A CN 117331090 A CN117331090 A CN 117331090A
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CN
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target
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examples
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CN202311283005.5A
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张和君
廖学文
冯福荣
陈源
吴兴发
张海叶
常立超
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Chotest Technology Inc
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Abstract

本公开描述一种主动地跟踪激光跟踪仪的姿态探头，安装于目标并与激光跟踪仪配合以获得目标的位置和姿态，包括：靶标、探头位置传感单元和探头跟踪控制单元，靶标具有通孔并配置为将激光跟踪仪发出的激光或散射光束反射至激光跟踪仪，探头位置传感单元配置为接收经过通孔的激光并获得传感信息，探头跟踪控制单元配置为基于传感信息控制靶标的姿态以使靶标对准激光跟踪仪，对准为激光跟踪仪发出的激光束的至少一部分通过通孔并且与靶标的光轴平行，探头跟踪控制单元包括控制靶标沿第一方向旋转的第一旋转机构和控制靶标沿第二方向旋转的第二旋转机构。由此，能够通过探头位置传感单元和探头跟踪控制单元实现靶标的反向跟踪。

Description

主动地跟踪激光跟踪仪的姿态探头
本申请是申请日为2022年12月12日、申请号为2022115916763、发明名称为“基于反向跟踪的六维探头”的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种智能制造装备产业，本公开具体涉及一种主动地跟踪激光跟踪仪的姿态探头。
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测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，当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)测头的姿态检测装置。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(也即测头)，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，该方案在中，需要在探头设置至少三个旋转机构以使探头能够分别绕俯仰轴、偏航轴和横摇轴旋转，同时，为了确认横摇轴的旋转还需要利用陀螺仪和多个水平仪进行测量，导致探头的结构复杂。
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，扩大探头的可接收的角度，并且结构简单的探头结构。
本公开提供了一种基于反向跟踪的六维探头，是用于安装于目标并与激光跟踪仪配合以获得所述目标的位置和姿态的六维探头，包括：固定底座、靶标、探头位置传感单元、探头跟踪控制单元和探头重力对齐单元，所述固定底座配置为将所述探头安装于所述目标，所述靶标具有通孔并配置为将所述激光跟踪仪发出的激光或散射光束反射至所述激光跟踪仪，所述探头位置传感单元配置为接收经过所述通孔的激光并获得传感信息，所述探头跟踪控制单元配置为基于所述传感信息控制所述靶标的姿态以使所述靶标对准所述激光跟踪仪，所述探头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，所述探头重力对齐单元设置于所述固定底座并配置为测量所述目标的姿态。
在这种情况下，能够实现靶标的反向跟踪，扩大探头的可接收的角度范围，同时，由于靶标在反向跟踪的过程中持续地对准激光束，能够便捷地利用靶标沿第一方向旋转的角度和沿第二方向旋转的角度表示激光束在靶标坐标系(后续描述)的方向向量。利用探头重力对齐单元能够获取目标的部分的欧拉角，还能够基于探头重力对齐单元测量的角度获得靶标坐标系和目标坐标系(后续描述)的变换关系。
另外，在本公开的所涉及的六维探头中，可选地，所述六维探头包括探头角度测量单元，所述探头角度测量单元包括配置为测量所述靶标沿所述第一方向旋转的旋转角度的第一探头角度测量单元和配置为测量所述靶标沿所述第二方向旋转的旋转角度的第二探头角度测量单元。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六维探头中，可选地，所述探头重力对齐单元包括第一倾角仪和第二倾角仪，所述第一倾角仪的安装方向与所述第一旋转机构的旋转轴的延伸方向垂直，所述第二倾角仪的安装方向与所述第二旋转机构的旋转轴的延伸方向平行，所述第一倾角仪的安装方向与所述第二倾角仪的安装方向垂直。在这种情况下，由于探头重力对齐单元的敏感轴与的探头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六维探头中，可选地，所述第一旋转机构设置于所述固定底座，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和驱动所述第一旋转轴旋转的第一驱动电机。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。
另外，在本公开的所涉及的六维探头中，可选地，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和驱动所述第二旋转轴旋转的第二驱动电机，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。在这种情况下，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，同时，能够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六维探头中，可选地，所述靶标包括配置为安装所述探头位置传感单元的基准层、设置有空心角锥棱镜的棱镜层、以及在所述基准层和所述棱镜层之间的并具有所述通孔中间层。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，进而能够测量激光跟踪仪的机械零点到角锥中心的距离，也即激光发射单元与靶标之间的距离。同时，当激光发射单元发射的激光束沿空心角锥棱镜的光轴入射时，也即靶标对准激光发射单元时，激光束能够通过通孔，并且会在通孔的后方的特定位置形成特定光斑，进而能够根据通孔的后方的特定位置是否有光斑确定靶标是否对准激光发射单元。
另外，在本公开的所涉及的六维探头中，可选地，在所述基准层设置有位于所述通孔和所述探头位置传感单元之间的滤光片。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，使得通过通孔并在探头位置传感单元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的干扰影响，从而提升激光束方位的检测精度。
另外，在本公开的所涉及的六维探头中，可选地，所述探头位置传感单元设置于所述基准层，所述探头位置传感单元包括感光面，所述感光面与所述空心角锥棱镜的轴线垂直，所述探头位置传感单元配置为通过所述感光面检测通过所述通孔的激光相对于预设零点的移动距离并获得所述传感信息。在这种情况下，由于感光面与靶标坐标系的两个轴垂直，能够便捷地利用探头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六维探头中，可选地，所述空心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六维探头中，可选地，所述第一旋转轴的轴线与所述探头重力对齐单元的敏感平面垂直，所述第二旋转轴的轴线与所述敏感平面平行。在这种情况下，由于探头重力对齐单元的敏感轴与的探头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。
根据本公开，提供一种能够实现反向跟踪，扩大探头的可接收的角度，并且结构简单的探头结构。
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六维姿态检测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六维姿态检测装置的六维探头的示意图。
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六维姿态检测装置的六维探头在图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六维姿态检测装置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六维姿态检测装置的六维探头的部分结构的正视图。
图7是示出了本公开示例所涉及的六维姿态检测装置的六维探头的部分结构的在图6中的O-O'位置的剖面示意图。
图8是示出了本公开示例所涉及的六维姿态检测装置的靶标的部分结构的在图6中的O-O'位置的剖面示意图。
图9是示出了本公开示例所涉及的六维姿态检测装置的六维探头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。
本公开涉及一种基于反向跟踪的六维姿态检测装置，可以用于测量目标的的六维坐标，六维姿态检测装置可以包括激光跟踪仪和与激光跟踪仪配合的探头，通过探头主动跟踪激光跟踪仪。在这种情况下，同时探头能够反向地跟踪激光跟踪仪，探头能够在移动的过程中持续地反射激光跟踪仪发射的激光束。
在一些示例中，基于反向跟踪的六维姿态检测装置也可以称为、六维姿态检测装置、主动反向跟踪的六维姿态检测装置、六维姿态检测装置或姿态检测装置等。
本公开涉及一种基于反向跟踪的六维探头，包括靶标、设置于靶标的探头位置传感单元、基于探头位置传感单元的传感信息控制靶标水平旋转的第一旋转机构和控制靶标俯仰旋转的第二旋转机构。在这种情况下，能够利用探头位置传感单元的传感信息判断靶标是否对准激光束，并能够利用第一旋转机构和第二旋转机构控制靶标对准激光跟踪仪，从而实现靶标的反向跟踪，扩大六维探头的可接收的角度范围。
本公开涉及一种基于反向跟踪的六维探头，包括靶标、将探头安装于目标的固定底座和设置于固定底座的探头重力对齐单元。在这种情况下，由于固定底座安装于目标，能够利用探头重力对齐单元获取目标的部分的欧拉角。
本公开涉及一种基于反向跟踪的六维探头，包括固定底座、靶标、探头位置传感单元、探头跟踪控制单元和探头重力对齐单元，固定底座配置为将六维探头安装于目标，靶标具有通孔并配置为将激光跟踪仪发出的激光或散射光束反射至跟踪仪，探头位置传感单元配置为接收经过通孔的激光并获得传感信息，探头跟踪控制单元配置为基于传感信息控制靶标的姿态以使靶标对准跟踪仪，探头跟踪控制单元包括控制靶标沿第一方向旋转的第一旋转机构和控制靶标沿第二方向旋转的第二旋转机构，探头重力对齐单元设置于固定底座并配置为测量目标的姿态。在这种情况下，能够实现靶标的反向跟踪，扩大六维探头的可接收的角度范围，同时，由于靶标在反向跟踪的过程中持续地对准激光束，能够便捷地利用靶标沿第一方向旋转的角度和沿第二方向旋转的角度表示激光束在靶标坐标系(后续描述)的方向向量。利用探头重力对齐单元能够获取目标的部分的欧拉角，还能够基于探头重力对齐单元测量的角度获得靶标坐标系和目标坐标系(后续描述)的变换关系。
在一些示例中，基于反向跟踪的六维探头也可以称为探头、姿态探头、辅助测量装置、接收器、反射器或靶球等。
在一些示例中，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，六维姿态检测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。
在一些示例中，反向跟踪可以是指六维姿态检测装置中的六维探头主动地跟踪激光跟踪仪。在一些示例中，六维探头主动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)，六维探头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(或六维探头)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六维探头持续地对准激光发射单元，则可以认为六维探头反向跟踪(也即六维探头主动跟踪激光跟踪仪)。
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：通孔或探头位置传感单元等)，“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六维姿态检测装置的应用场景示意图。在一些示例中，参见图1，六维姿态检测装置可以包括激光跟踪仪1和与激光跟踪仪1配合以获得目标的位置和姿态的六维探头2。
在一些示例中，六维探头2可以安装于目标。在一些示例中，六维探头2安装于目标时，六维探头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，六维探头2可以包括靶标21和将六维探头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六维探头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，在使用六维姿态检测装置时，激光跟踪仪1可以与六维探头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，六维探头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捕获六维探头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。在一些示例中，激光跟踪仪1可以接收激光发射单元发射的并被靶标21反射的激光束。在这种情况下，能够利用反射后的激光束获得靶标21与激光跟踪仪1的距离。
在一些示例中，激光发射单元可以为氦氖激光器或固体激光器。
在一些示例中，激光跟踪仪1可以包括激光发射单元和控制激光发射单元对准靶标21的跟踪头跟踪控制单元。换言之，跟踪头跟踪控制单元可以配置为控制激光发射单元的发射方向以使激光发射单元跟踪六维探头2。在这种情况下，能够令控制激光发射单元随时对准六维探头2，在目标移动的过程中令激光跟踪仪1实时地接收靶标21反射的激光束。
在一些示例中，跟踪头跟踪控制单元可以驱动激光发射单元绕跟踪头水平旋转轴和跟踪头俯仰旋转轴进行旋转。在一些示例中，跟踪头水平旋转轴的轴线和跟踪头俯仰旋转轴的轴线垂直并相交。在一些示例中，可以基于跟踪头水平旋转轴的轴线和跟踪头俯仰旋转轴的轴线建立激光跟踪仪设备坐标系，例如，可以令激光跟踪仪设备坐标系以跟踪头水平旋转轴的轴线和跟踪头俯仰旋转轴的轴线的交点为原点，以跟踪头水平旋转轴的轴线的方向为Z轴方向，以跟踪头俯仰旋转轴的轴线的方向为Y轴方向，以垂直与跟踪头水平旋转轴的轴线和跟踪头俯仰旋转轴的轴线的方向为X轴方向。
在一些示例中，激光跟踪仪1可以包括跟踪头角度测量单元，跟踪头角度测量单元可以配置为测量激光发射单元在跟踪头跟踪控制单元的控制下的旋转角度。在这种情况下，能够获得激光发射单元的旋转角度，进而能够基于激光发射单元的旋转角度和激光发射单元与靶标21之间的距离计算靶标21的空间位置。同时，能够利用激光发射单元在跟踪头跟踪控制单元的控制下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。
在一些示例中，激光跟踪仪1可以包括跟踪头重力对齐单元，在一些示例中，跟踪头重力对齐单元可以用于测量激光发射单元相对于水平面的倾斜角度。在一些示例中，跟踪头重力对齐单元可以配置为将激光束在激光跟踪仪设备坐标系中的方向向量对齐至目标坐标系，其中，对齐可以是指利用不同坐标系中的变换关系和任意单位在一个坐标系的坐标求出该任意单位在另一个坐标系的坐标。
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，Z轴可以与重力方向平行，X轴和Y轴可以与重力方向垂直。在这种情况下，能够基于不同的坐标系(例如激光跟踪仪设备坐标系和靶标坐标系)和重力的关系将各个坐标系的空间位置对齐至目标坐标系，在实际的过程中，需要用到激光束在不同目标坐标系的方向向量以及不同目标坐标系的坐标之间的变换关系计算目标的偏航角，同时，难以直接获得激光跟踪仪设备坐标系与靶标坐标系的变换关系，而将激光束的方向向量对齐至目标坐标系，并利用靶标倾斜角度表示目标坐标系与靶标坐标系之间的变换关系，能够建立关于激光束的方向向量的等式，进而能够通过等式求解出未知量偏航角。
在一些示例中，以跟踪头重力对齐单元可以包括两个单轴加速度计，并且两个单轴加速度计的敏感轴正交为例，跟踪头重力对齐单元可以包括单轴加速度计a和单轴加速度计b，其中，单轴加速度计a的敏感轴和单轴加速度计b的敏感轴可以在同一平面内，单轴加速度计a的敏感轴和单轴加速度计b的敏感轴所在的平面可以与跟踪头水平旋转轴垂直，单轴加速度计a的敏感轴可以与跟踪头俯仰旋转轴平行，单轴加速度计b的敏感轴可以与跟踪头俯仰旋转轴垂直。在这种情况下，由于跟踪头重力对齐单元的敏感轴与的跟踪头跟踪控制单元的旋转轴相匹配，能够简化激光跟踪仪设备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。但不公开不限于此，在另外一些实例中，两个单轴加速度计的敏感轴与跟踪头俯仰旋转轴的位置关系也可以不是平行或垂直。
在一些示例中，六维探头2可以是任意能够以入射方向相反的方式反射光束的设备。
图2是示出了本公开示例所涉及的六维姿态检测装置的六维探头2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六维姿态检测装置的六维探头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六维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六维姿态检测装置的六维探头2的部分结构的正视图。
图7是示出了本公开示例所涉及的六维姿态检测装置的六维探头2的部分结构的在图6中的O-O'位置的剖面示意图。图8是示出了本公开示例所涉及的六维姿态检测装置的靶标21的部分结构的在图6中的O-O'位置的剖面示意图。图9是示出了本公开示例所涉及的六维姿态检测装置的六维探头2的部分结构的仰视图。
在一些示例中，参见图2、图3、图4、图6和图7，六维探头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可以配置为将六维探头2安装于目标。在这种情况下，能够通过固定底座22将六维探头2固定于目标，令六维探头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的探头位置传感单元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8)。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8，棱镜层211可以设置有具有切口的反射镜2111。例如，具有切口的反射镜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和跟踪头俯仰旋转轴的交点，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8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8，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投射到后方的探头位置传感单元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8，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的形状可以是任意形状，例如，通孔2122的形状可以是多边形、椭圆形、或圆形等任意形状。优选地，通孔2122的形状可以是圆形。
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和图7，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与探头位置传感单元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并在探头位置传感单元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其他光源的干扰影响，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可以设置有探头位置传感单元2131，探头位置传感单元2131可以配置为接收经过通孔2122的激光束。
在一些示例中，探头位置传感单元2131可以具有感光面，在一些示例中，探头位置传感单元2131的感光面可以与切口平面Sc平行。在一些示例中，探头位置传感单元2131的感光面可以与入射平面Si平行。在一些示例中，探头位置传感单元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，能够便捷地利用探头位置传感单元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，探头位置传感单元2131的感光面也可以与切口平面Sc不平行。
在一些示例中，探头位置传感单元2131接收经过通孔2122的激光束后，探头位置传感单元2131配置为通过感光面检测通过通孔2122的激光相对于预设零点的移动距离并获得传感信息，由此能够基于激光束在探头位置传感单元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，探头位置传感单元2131可以记录光斑在探头位置传感单元2131的感光面的位置。在这种情况下，能够基于光斑在探头位置传感单元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。相对于现有技术中需要在六维探头2设置多个发光装置，并利用设置于激光跟踪仪1的姿态相机和变焦光学镜头获取多个发光装置在空间中的位置，再基于多个发光装置在空间中的位置计算靶标21的姿态的计算方式相比，通过探头位置传感单元2131计算靶标21的姿态和靶标21的姿态调整方式不需要在六维探头2设置多个发光装置，也不需要在激光跟踪仪1设置姿态相机和变焦光学镜头，能够有效降低制造成本和设计成本，而且也不会因为靶标21过远而导致姿态相机和变焦光学镜头难以对焦而导致靶标21的姿态的测量精度较低的情况。相对于目前现有技术中利用设置于六维探头2的位置传感单元的光斑位置信息直接计算六维探头2(目标)的姿态，所计算得到的六维探头2(目标)的姿态容易受到位置传感单元的非线性和漂移误差的影响，进而导致目标的测量精度不稳定。而利用探头位置传感单元2131获取靶标21的姿态和靶标21的姿态调整方式，并实现靶标21对准激光发射单元，激光束所形成的光斑持续地位于探头位置传感单元2131中的固定点或伺服零点(也即预设零点)，再利用探头角度测量单元、探头重力对齐单元26等部件配合计算六维探头2(目标)的姿态(后续描述)，能够有效减少位置传感单元的非线性和漂移误差对六维探头2(目标)的姿态的精度的影响，从而提高了目标的姿态测量精度的准确性。
在一些示例中，可以基于光斑和探头位置传感单元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，探头位置传感单元2131可以实时地获取光斑的位置。换言之，在探头位置传感单元2131形成光斑后，探头位置传感单元2131可以持续地获取光斑的位置。在这种情况下，能够持续地确定靶标21的姿态，进而能够实时地确定靶标21的姿态调整方式，并基于靶标21的姿态调整方式控制探头跟踪控制单元以使靶标21实时地对准激光发射单元。在一些示例中，探头位置传感单元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，空心角锥棱镜未接收到激光束时，可以认为激光跟踪仪1未对准靶标21；空心角锥棱镜接收到激光束，可以认为激光跟踪仪1对准靶标21；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并在探头位置传感单元2131形成光斑，并且激光束的至少一部分在探头位置传感单元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并在探头位置传感单元2131形成光斑，并且激光束的至少一部分在探头位置传感单元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，能够基于激光束和六维探头2的关系的判断六维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2，六维探头2可以包括探头跟踪控制单元，探头跟踪控制单元可以配置为基于探头位置传感单元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，能够利用探头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，探头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(参加图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，探头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，将六维探头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(或探头位置传感单元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(或探头位置传感单元2131的感光面)平行。在一些示例中，将六维探头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，同时能够降低出现计算错误的情况，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，探头跟踪控制单元可以配置为基于探头位置传感单元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，在探头位置传感单元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探头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，探头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构成的探头跟踪控制单元能够减少制造成本和设计成本，同时，在探头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，参见图4，六维探头2可以包括探头角度测量单元，探头角度测量单元可以配置为测量靶标21在探头跟踪控制单元的控制下的旋转角度。在这种情况下，能够利用探头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的姿态和六维探头2的姿态的位置关系，进而能够获取靶标21相对于六维探头2的旋转角度，进而能够基于六维探头2的旋转角度计算目标的空间姿态。需要说明的是，在利用探头跟踪控制单元靶标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，六维探头2的姿态可以是指六维探头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，因此六维探头2的姿态也可以是指目标的姿态。同时，由于靶标21在探头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相对于六维探头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，基于六维探头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六维探头2(目标)的偏航角。
在一些示例中，参见图4，探头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探头角度测量单元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探头角度测量单元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，探头角度测量单元包括设置于旋转轴的光栅盘和读数头。例如，第一探头角度测量单元24可以包括设置于第一旋转轴2311的第一探头光栅盘241和基于第一探头光栅盘241获得靶标21沿第一方向D1旋转的旋转角度的第一探头读数头242。第二探头角度测量单元25可以包括设置于第二旋转轴2321的第二探头光栅盘251和基于第二探头光栅盘251获得靶标21沿第二方向D2旋转的旋转角度的第二探头读数头252。在这种情况下，能够通过探头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，探头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和图7，六维探头2可以包括探头重力对齐单元26。在一些示例中，探头重力对齐单元26可以配置为获取目标的姿态，在一些示例中，探头重力对齐单元26可以用于获取目标的至少一个欧拉角。在一些示例中，探头重力对齐单元26可以用于获取目标的俯仰角和横滚角。
在一些示例中，探头重力对齐单元26可以配置为将基于探头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)。探头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、图6和图7，探头重力对齐单元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，探头重力对齐单元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，相对于将探头重力对齐单元26设置于靶标21的方案，也即探头重力对齐单元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，能够减少探头重力对齐单元26的动态响应要求，从而能够提高探头重力对齐单元26的测量精度，同时还能够简化计算过程。
在一些示例中，探头重力对齐单元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，探头重力对齐单元26可以配置为获取六维探头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，六维探头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六维探头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，激光束在激光跟踪仪设备坐标系中的方向向量、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，参见图9，探头重力对齐单元26可以包括两个单轴加速度计，并且两个单轴加速度计的敏感轴正交。但本公开不限于此，在一些示例中，探头重力对齐单元26也可以包括一个三轴加速度计。在一些示例中，探头重力对齐单元26也可以包括一个双轴加速度计。在一些示例中，探头重力对齐单元26也可以包括两个单轴倾角仪或一个双轴倾角仪(倾角传感器)。在一些示例中，探头重力对齐单元26也可以包括水平仪。在一些示例中，探头重力对齐单元26可以包括能够使固定底座22相对于水平面的倾斜角度的任意设备。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，探头重力对齐单元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，以探头重力对齐单元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，探头重力对齐单元26可以包括第一倾角仪26a和第二倾角仪26b(参见图9)，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，探头重力对齐单元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的旋转轴的延伸方向垂直，第二倾角仪26b的安装方向可以与第二旋转机构232的旋转轴的延伸方向平行，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，由于探头重力对齐单元26的敏感轴与的探头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，探头重力对齐单元26可以实时地获取靶标倾斜角度。换言之，在利用六维姿态检测装置计算目标的六维坐标时，探头重力对齐单元26可以持续不间断的测量靶标倾斜角度。在这种情况下，能够实时地获取靶标倾斜角度，并且能够实时地利用靶标倾斜角度获取六维探头2欧拉角。
在一些示例中，六维探头2还可以包括设置于固定底座22的陀螺仪，陀螺仪可以配置为提升目标在动态情况下的探头重力对齐单元26获取的靶标倾斜角度的精度。由于固定底座22(目标)运动时，会在探头重力对齐单元26中引入除重力外的加速度，会导致靶标倾斜角度的精度降低，利用陀螺仪能够提高靶标倾斜角度的测量精度。
在一些示例中，六维探头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等滤波算法融合探头重力对齐单元26测量的数据和陀螺仪测量数据，能够互补探头重力对齐单元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。
在一些示例中，六维探头2可以不包括陀螺仪，由此能够降低制造成本。在一些示例中，陀螺仪可以作为六维探头2的选配部件，可以以可拆卸的方式设置于固定底座22。在这种情况下，能够基于使用情况确认是否需要配备或安装陀螺仪。
在一些示例中，参见图1，六维姿态检测装置可以包括数据分析器3。在一些示例中，数据分析器3可以内置有分析软件。
本公开还涉及一种基于反向跟踪的姿态探测方法，能够实现六维探头2的反向跟踪，并且能够获得目标的欧拉角。在一些示例中，基于反向跟踪的姿态探测方法也可以称为多维测量方法、确定目标取向的方法或目标测量方法。在一些示例中，本公开所涉及的方法能够通过本公开所涉及的六维探头实现。但本公开不限于此，本公开所涉及的方法也可以应用于其他能够实现这些方法的装置中。
在一些示例中，使靶标21对准激光发射单元(步骤S001)；获得目标的欧拉角(步骤S003)。在这种情况下，由于靶标21能够对准激光发射单元以实现反向跟踪，并且能够基于靶标21的旋转角度计算目标的欧拉角。
在一些示例中，在步骤S001中，可以使靶标21对准激光发射单元。在一些示例中，可以在六维探头2中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。在一些示例中，两个方向可以为上文所述的第一方向D1和第二方向D2。
在一些示例中，可以利用设置于靶标21的探头位置传感单元2131接收通过预设位置的激光束，基于靶标21接收的激光束在探头位置传感单元2131的光斑计算靶标21的姿态调整方式，控制靶标21沿第一方向D1旋转和沿第二方向D2旋转以使靶标21对准激光发射单元。在这种情况下，由于激光束通过预设位置时，激光发射单元已经对准了靶标21，令靶标21对准激光发射单元，能够令靶标21的入射平面Si于激光束垂直，进而能够利用靶标21的旋转角度表示激光束在靶标坐标系中的方向向量。
在一些示例中，在步骤S003中，可以获得目标的欧拉角。在一些示例中，利用设置于六维探头2的探头重力对齐单元26获得目标的横滚角和俯仰角。在一些示例中，利用设置于六维探头2的倾角仪或加速度计获得目标的横滚角和俯仰角。在这种情况下，能够便捷地获得目标的部分欧拉角，并且能够在后续过程中利用部分欧拉角表示目标坐标系和靶标坐标系之间的变换关系，进而能够计算得到其他欧拉角。
在一些示例中，可以基于靶标21的旋转角度和目标的横滚角和俯仰角计算目标的偏航角，计算目标的偏航角包括：建立激光跟踪仪设备坐标系、目标坐标系和靶标坐标系，获取激光跟踪仪设备坐标系和目标坐标系之间的变换关系，获取目标坐标系和靶标坐标系之间的变换关系，获取激光束在激光跟踪仪设备坐标系中的方向向量为设备激光束向量，获取激光束在目标坐标系中的方向向量为目标激光束向量，获取激光束在靶标坐标系中的方向向量为靶标激光束向量，建立等式并计算目标的偏航角。在这种情况下，能够利用激光束在不同的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六维探头2(目标)的偏航角。
在一些示例中，可以利用设置于激光跟踪仪1的跟踪头重力对齐单元获取激光发射单元相对于水平面的倾斜角度并进一步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；利用设置于六维探头2的探头重力对齐单元26获取六维探头2相对于水平面的倾斜角度为靶标倾斜角度，基于第二倾斜角获取目标坐标系和靶标坐标系之间的变换关系；基于激光发射单元的旋转角度获取设备激光束向量。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；基于靶标21的旋转角度获取靶标激光束向量。在这种情况下，能够基于不同的参考系建立不同的坐标系，并且能够获得不同的坐标系与目标坐标系的变换关系，进而能够关联激光束在不同坐标系的方向向量并获得公式进而能够基于公式计算目标的偏航角。
在一些示例中，靶标激光束向量可以表示为：
其中，表示靶标激光束向量，OT表示目标坐标系，/>表示激光束的方向向量，α表示靶标21在第二方向D2旋转的角度(也即靶标21旋转时，第二旋转轴2321旋转的角度)，β表示靶标21在第一方向D1旋转的角度(也即靶标21旋转时，第一旋转轴2311旋转的角度)。α可以通过第二探头角度测量单元25获得，β可以通过第一探头角度测量单元24获得。
在一些示例中，目标激光束向量和靶标激光束向量可以满足：
其中，表示目标激光束向量，OG表示目标坐标系，/>表示目标坐标系和靶标坐标系的变换关系。
在一些示例中，目标坐标系和靶标坐标系的变换关系可以满足：
其中，表示目标坐标系和靶标坐标系的变换关系，ω、δ和/>分别表示六维探头2(或目标)的横滚角、偏航角和俯仰角，Rx(ω)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，Rz(δ)表示与偏航角相关的旋转矩阵。
在一些示例中，目标激光束向量和设备激光束向量可以满足：
其中，表示设备激光束向量，OL表示激光跟踪仪设备坐标系，/>表示激光跟踪仪设备坐标系和目标坐标系的变换关系。/>可以通过激光跟踪仪1的机械零点到角锥中心的距离以及跟踪头角度测量单元获得的激光跟踪仪1的旋转角度计算获得。/>可以通过激光发射单元相对于水平面的倾斜角度计算获得。
在一些示例中，在目标运动时，可以测量目标的角速度并利用目标的角速度和Kalman算法修正靶标倾斜角度。在一些示例中，如上，可以利用设置于六维探头2的陀螺仪测量目标的角速度。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等滤波算法能够对靶标倾斜角度进行修正，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)

1.一种主动地跟踪激光跟踪仪的姿态探头，安装于目标并与所述激光跟踪仪配合以获得所述目标的位置和姿态，其特征在于，
包括：靶标、探头位置传感单元和探头跟踪控制单元，所述靶标具有通孔并配置为将所述激光跟踪仪发出的激光或散射光束反射至所述激光跟踪仪，
所述探头位置传感单元配置为接收经过所述通孔的激光并获得传感信息，
所述探头跟踪控制单元配置为基于所述传感信息控制所述靶标的姿态以使所述靶标对准所述激光跟踪仪，所述对准为所述激光跟踪仪发出的激光束的至少一部分通过所述通孔并且与所述靶标的光轴平行，
所述探头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。
2.如权利要求1所述的姿态探头，其特征在于，
还包括探头重力对齐单元，所述探头重力对齐单元配置为测量所述目标的姿态。
3.如权利要求2所述的姿态探头，其特征在于，
还包括探头角度测量单元，所述探头角度测量单元配置为测量所述靶标在所述探头跟踪控制单元的控制下的旋转角度，所述探头角度测量单元和所述探头重力对齐单元配合计算所述姿态探头的姿态。
4.如权利要求2所述的姿态探头，其特征在于，
还包括固定底座，所述固定底座配置为将所述姿态探头安装于所述目标，所述探头重力对齐单元设置于所述固定底座。
5.如权利要求4所述的姿态探头，其特征在于，
所述第一旋转机构设置于所述固定底座，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和驱动所述第一旋转轴旋转的第一驱动电机。
6.如权利要求5所述的姿态探头，其特征在于，
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和驱动所述第二旋转轴旋转的第二驱动电机，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。
7.如权利要求2所述的姿态探头，其特征在于，
所述探头重力对齐单元包括第一倾角仪和第二倾角仪，所述第一倾角仪的安装方向与所述第一旋转机构的旋转轴的延伸方向垂直，所述第二倾角仪的安装方向与所述第二旋转机构的旋转轴的延伸方向平行，所述第一倾角仪的安装方向与所述第二倾角仪的安装方向垂直。
8.如权利要求3所述的姿态探头，其特征在于，
所述探头重力对齐单元配置为将基于所述探头角度测量单元获取的方向信息关联至目标坐标系，所述探头角度测量单元获取的方向信息包括所述靶标沿所述第一方向旋转的旋转角度和沿所述第二方向旋转的旋转角度。
9.如权利要求6所述的姿态探头，其特征在于，
所述探头角度测量单元包括配置为测量所述靶标沿所述第一方向旋转的旋转角度的第一探头角度测量单元和配置为测量所述靶标沿所述第二方向旋转的旋转角度的第二探头角度测量单元。
10.如权利要求9所述的姿态探头，其特征在于，
所述第一探头角度测量单元包括设置于所述第一旋转轴的第一探头光栅盘和基于所述第一探头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探头读数头，所述第二探头角度测量单元包括设置于所述第二旋转轴的第二探头光栅盘和基于所述第二探头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探头读数头。
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