用于使用手持設(shè)備來利用激光跟蹤儀選擇、鎖定和跟蹤后向反射器的方法
【專利摘要】一種用于利用激光跟蹤儀(10)鎖定和跟蹤所選的后向反射器目標的方法，該方法包括下述步驟：由操作者致動手持設(shè)備(410)并且發(fā)送無線信號(420)；通過重復(fù)執(zhí)行下述循環(huán)中的步驟并且當(dāng)滿足退出條件時退出循環(huán)來向無線消息進行響應(yīng)：由至少一個后向反射器目標(26)反射錐形光的一部分并且在光敏陣列上捕獲陣列圖像；確定哪個后向反射器目標(26)滿足后向反射器目標準則，滿足后向反射器目標準則的后向反射器目標被稱為所選的后向反射器目標；確定激光跟蹤儀(10)的位置檢測器是否正在接收由激光跟蹤儀(10)發(fā)射的光束的反射部分；建立在當(dāng)位置檢測器接收到反射光束并且反射光束來自所選的后向反射器目標時滿足退出條件；控制光束朝向所選的后向反射器目標。
【專利說明】用于使用手持設(shè)備來利用激光跟蹤儀選擇、鎖定和跟蹤后向反射器的方法

【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明涉及坐標測量設(shè)備。一組坐標測量設(shè)備屬于通過將激光束發(fā)送到一個點來測量該點的三維(3D)坐標的一類儀器，其中該激光束被后向反射器目標攔截。該儀器通過測量距目標的距離和兩個角度來找到該點的坐標。利用諸如絕對測距儀(ADM)或者干涉儀的距離測量設(shè)備來測量該距離。利用諸如角度編碼器的角度變換器來測量角度。該儀器中的萬向光束控制機制將激光束指引至關(guān)注的點。這種設(shè)備的示例是激光跟蹤儀。
[0002]與激光跟蹤儀緊密相關(guān)的坐標測量設(shè)備是全站儀。最經(jīng)常用在測量應(yīng)用中的全站儀可以被用于測量漫散射或者后向反射目標的坐標。在下文中，在廣義上使用術(shù)語激光跟蹤儀以包括全站儀。
[0003]通常激光跟蹤儀將激光束發(fā)送到后向反射器目標。一種普通類型的后向反射器目標是球形安裝的后向反射器(SMR),該SMR包括嵌入在金屬球中的立體角后向反射器。該立體角后向反射器包括三個互相垂直的鏡子。作為三個鏡子的交叉的公共點的立體角的頂點，位于球體的中心。常見的做法是放置SMR的球面與測試物體接觸并且然后將SMR移至被測表面之上。因為球內(nèi)的立體角的這種布置，所以從立體角的頂點到測試物體的表面的垂直距離保持恒定而不管SMR的旋轉(zhuǎn)。因此，可以通過將跟蹤儀跟隨移至表面之上的SMR的3D坐標來找到該表面的3D坐標。
[0004]激光跟蹤儀中的萬向機制可以用于將激光束從跟蹤儀指引至SMR。由SMR回射的部分光進入激光跟蹤儀并且傳遞至位置檢測器上。由跟蹤儀控制系統(tǒng)使用照到位置檢測器上的光的位置來調(diào)整激光跟蹤儀的機械方位軸和機械頂點軸的旋轉(zhuǎn)角度以保持激光束集中于SMR上。以這種方式，跟蹤儀能夠跟隨(跟蹤)SMR。
[0005]附接到跟蹤儀的機械方位軸和機械頂點軸的諸如角度編碼器的角度變換器可以用于確定激光束(相對于參考的跟蹤儀框架)的方位角度和頂點角度。由激光跟蹤儀獲得的一個距離測量和兩個角度測量足以完全指定SMR或者其他后向反射器目標的三維位置。
[0006]正如前面所提及的，可以在激光跟蹤儀中找到兩種測距儀:干涉儀和絕對測距儀(ADM)。在激光跟蹤儀中，干涉儀(如果存在)可以通過對當(dāng)后向反射器目標在兩點之間移動時通過的已知長度(通常是激光的半波長)的增量的數(shù)量進行計數(shù)來確定從起始點至結(jié)束點的距離。如果在測量期間光束中斷，則無法準確知道計數(shù)值的數(shù)目，使得距離信息丟失。相比之下，激光跟蹤儀中的ADM確定距后向反射器目標的絕對距離而不考慮光束中斷，這也允許在目標之間切換。由此，可以說ADM能夠“對準即拍”測量。最初，絕對測距儀僅能夠測量靜止目標并且由于這個原因絕對測距儀經(jīng)常與干涉儀一起使用。然而，一些現(xiàn)代的絕對測距儀可以進行快速測量，從而消除了對干涉儀的需求。
[0007]在跟蹤模式下，當(dāng)SMR在跟蹤儀的采集范圍中時，激光跟蹤儀將自動跟隨SMR的運動。如果激光束中斷，則跟蹤將停止。光束可以通過下述若干方法中的任一種而中斷:(I)儀器與SMR之間的障礙；⑵太快以至于儀器無法跟隨的SMR的快速運動；或者(3) SMR轉(zhuǎn)動的方向超過SMR的接受角度。在光束中斷之后，在一些操作模式下，光束默認保持固定在光束中斷處或者在最后命令位置處。對于操作者來說可能需要視覺上搜尋跟蹤光束并且將SMR放置在光束中以便將儀器鎖定到SMR上并且繼續(xù)跟蹤。正如本文后面所討論的，在其他操作模式下，光束可以通過攝像系統(tǒng)的使用而被自動導(dǎo)回至SMR。
[0008]一些激光跟蹤儀包括一個或多個相機。相機光軸可以是與測量光束同軸或者從測量光束偏移了固定的距離或角度。相機可以用于提供廣闊的視野以定位后向反射器。放置在相機光軸附近的調(diào)制光源可以照亮后向反射器，從而使后向反射器更易識別。在這種情況下，后向反射器與照明同相地閃爍，而背景物體不閃爍。這種相機的一個應(yīng)用是檢測視野中的多個后向反射器并且以自動的順序來測量每一個后向反射器。
[0009]一些激光跟蹤儀具有以六個自由度(DOF)進行測量的能力，可以包括諸如x、y和z的三個坐標以及諸如俯仰角、翻滾角和偏航角的三個旋度?；诩す飧檭x的若干系統(tǒng)是可用的或者被提出用于測量六個自由度。
[0010]正如本文以上所說明的，當(dāng)光束中斷時對后向反射器目標的跟蹤停止。在一些情況下，操作者有意地建立這樣的光束中斷一例如，來使用光束以提供用于使靶架或者儀器對準的標記。在另一些情況下，光束中斷是不希望的或者不可避免的一例如，當(dāng)操作者使后向反射器目標旋轉(zhuǎn)過多或者使后向反射器通過從一點移動至另一點的物體后面時。在不希望光束中斷的情況下，理想的是提供一種方便地控制光束返回至后向反射器目標上的方式。
[0011]本領(lǐng)域已知的一種用于方便地控制光束返回至后向反射器目標上的方法是:用錐形光照亮后向反射器，用放置在很接近產(chǎn)生錐形光的光源處的定位相機觀察被照亮的后向反射器目標，在包含在定位相機中的光敏陣列上估計后向反射器圖像的位置，以及啟動激光跟蹤儀的電機以驅(qū)動來自跟蹤儀的光束朝向后向反射器目標。如果需要，可以重復(fù)這個動作以將來自跟蹤儀的光束鎖定到后向反射器目標上?？梢杂山邮障鄬Υ罅康姆瓷涔獾奈恢脵z測器來識別對后向反射器目標上的光束的鎖定。
[0012]在這個用于控制光束到后向反射器目標上的方法的一個實施方式中，無論何時跟蹤儀丟失光束，定位相機系統(tǒng)都自動找到光束并將光束鎖定在附近的后向反射器目標上。然而，這個方法在一些方面上受限。在一些情況下，大多數(shù)后向反射器目標可以位于測量容積內(nèi)，并且操作者可能希望將跟蹤儀光束引導(dǎo)至與由跟隨光束中斷的跟蹤儀自動選擇的目標不同的目標。在另一些情況下，操作者可能希望跟蹤儀光束在方向上保持固定，以使得靶架或者儀器可以與跟蹤儀光束對齊。
[0013]圍繞這個困難的本領(lǐng)域已知的一種方式是使用手勢來控制激光跟蹤儀的行為。在使用手勢的一個實施方式中，使用一個或多個定位相機和相關(guān)聯(lián)的最接近的光源來跟隨后向反射器目標。在這個實施方式中，相機可以通過估計照明的后向反射器目標的運動或者估計來自后向反射器目標的光的功率的模式來檢測特定手勢。使用手勢的潛在缺點在于操作者必須記得跟蹤儀命令與手勢之間的對應(yīng)關(guān)系。
[0014]需要一種用于獲取后向反射器目標的靈活且方便的方法。在一些情況下，理想的是重獲跟隨光束中斷的后向反射器目標。在另一些情況下，理想的是將中斷或者不中斷的跟蹤儀光束引導(dǎo)至不同的后向反射器目標。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]一種用于利用激光跟蹤儀鎖定和跟蹤所選的后向反射器目標的方法，鎖定和跟蹤在操作者的指導(dǎo)下被實施，該方法包括下述步驟:設(shè)置至少一個后向反射器目標；設(shè)置激光跟蹤儀，該激光跟蹤儀具有:結(jié)構(gòu)體、第一光源、測距儀、第一角度變換器、第二角度變換器、位置檢測器、相機、第二光源以及處理器，該結(jié)構(gòu)體可繞第一軸和第二軸旋轉(zhuǎn)；該第一光源被配置成產(chǎn)生與測距儀協(xié)作的第一光束，該第一角度變換器被配置成測量繞第一軸的旋轉(zhuǎn)的第一角度，該第二角度變換器被配置成測量繞第二軸的旋轉(zhuǎn)的第二角度，該位置檢測器被配置成接收反射光束，該反射光束是由后向反射器目標反射的第一光束，該相機包括透鏡系統(tǒng)和光敏陣列，該第二光源被配置成提供錐形光，該第一光束和錐形光相對于該結(jié)構(gòu)體是固定的，該第二光源被配置成與相機協(xié)作，該相機具有視野，該處理器被配置成操作激光跟蹤儀。該方法還包括下述步驟:設(shè)置被耦接到激光跟蹤儀或者被耦接到與激光跟蹤儀通信的計算機的收發(fā)器，該收發(fā)器包括接收器和可選的發(fā)射器；設(shè)置被配置成與收發(fā)器進行無線通信的手持設(shè)備；將至少一個后向反射器目標定位在相機的視野中；由操作者致動手持設(shè)備并且響應(yīng)于致動將無線消息發(fā)送至收發(fā)器；確定后向反射器目標準則；通過重復(fù)執(zhí)行包括下述步驟(a)至(e)的循環(huán)中的步驟并且當(dāng)滿足退出條件時退出循環(huán)來對無線消息進行響應(yīng):(a)由至少一個后向反射器目標反射錐形光的一部分并且在光敏陣列上捕獲陣列圖像；(b)確定哪個后向反射器目標滿足后向反射器目標準則，該確定至少部分基于陣列圖像，滿足該后向反射器目標準則的后向反射器目標被稱為所選的后向反射器目標；(C)用位置檢測器測量信號電平并且基于該信號電平來確定該位置檢測器是否正在接收反射光束；(d)建立是否滿足退出條件，當(dāng)且僅當(dāng)該位置檢測器接收到反射光束并且反射光束來自所選的后向反射器目標時滿足退出條件；(e)啟動第一電機和第二電機來操縱第一光束朝向所選的后向反射器目標；啟動第一電機和第二電機來控制反射光束以使得保持反射光束在位置檢測器上；以及用測距儀測量距第一后向反射器目標的距離，用第一角度變換器測量距第一后向反射器目標的第三角度，并且用第二角度變換器測量距第一后向反射器目標的第四角度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]現(xiàn)在參考附圖，其中，在若干附圖中以相同的方式對相同的元件進行編號:
[0017]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的激光跟蹤儀的立體圖；
[0018]圖2是現(xiàn)有技術(shù)的激光跟蹤儀系統(tǒng)的立體圖；
[0019]圖3是現(xiàn)有技術(shù)的激光跟蹤儀系統(tǒng)的電子裝置的框圖；
[0020]圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的與無線設(shè)備一起使用的激光跟蹤儀的立體圖；
[0021]圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的利用定位相機獲得反射光的激光跟蹤儀的立體圖；
[0022]圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的將光束發(fā)送到后向反射器的激光跟蹤儀的立體圖；
[0023]圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的用于選擇、鎖定以及跟蹤后向反射器目標的方法中的步驟的流程圖；
[0024]圖8是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的其中光束沒被鎖定到多個后向反射器的場中的任何后向反射器上的激光跟蹤儀的立體圖；
[0025]圖9是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的設(shè)置在手持設(shè)備上的示例性用戶界面；
[0026]圖10是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的與包含慣性測量單元的無線設(shè)備一起使用的激光跟蹤儀的立體圖；
[0027]圖11是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式的與包含慣性測量單元的無線設(shè)備一起使用的激光跟蹤儀的立體圖；以及
[0028]圖12是根據(jù)本發(fā)明的又一個實施方式的與包含慣性測量單元的無線設(shè)備一起使用的激光跟蹤儀的立體圖。

【具體實施方式】
[0029]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的激光跟蹤儀10。激光跟蹤儀10的示例性萬向光束控制機制12包括被安裝在方位底座16上并且繞方位軸20旋轉(zhuǎn)的頂點支架14。負載15被安裝在頂點支架14上并且繞頂點軸18旋轉(zhuǎn)。頂點機械旋轉(zhuǎn)軸18和方向機械旋轉(zhuǎn)軸20在萬向點22處垂直相交到跟蹤儀10的內(nèi)部，萬向點22通常是用于距離測量的原點。激光束46實際上通過萬向點22并且指向與頂點軸18垂直。換言之，激光束46在與頂點軸18正交的平面中。激光束46通過在使負載15繞頂點軸18和方位軸20旋轉(zhuǎn)的跟蹤儀(未示出)中的電機而被指向期望的方向。跟蹤儀(未示出)內(nèi)部的頂點角度編碼器和方向角度編碼器被附接到頂點機械軸18和方位機械軸20并且以高精度指示旋轉(zhuǎn)的角度。激光束46行進至諸如上述的球形安裝的后向反射器(SMR)的外部后向反射器26。通過測量萬向點22與后向反射器26之間的徑向距離和繞頂點軸18和方位軸20的旋轉(zhuǎn)角度，在跟蹤儀的球面坐標系統(tǒng)中找到后向反射器26的位置。
[0030]激光束46可以包括一個或多個激光波長。為了清楚和簡明起見，在下面的討論中假設(shè)圖1所示出的種類的控制機制。然而，其他類型的控制機制也是可能的。例如，可以從繞方位軸和頂點軸旋轉(zhuǎn)的鏡子反射激光束。不管控制機制的類型，這里描述的技術(shù)都是可適用的。
[0031]在不例性激光跟蹤儀10中，相機52和光源54位于負載15上。光源54照亮一個或多個后向反射器目標26。光源54可以是電驅(qū)動以重復(fù)發(fā)射脈沖光的LED。每個相機52包括光敏陣列和被放置在光敏陣列前面的透鏡。光敏陣列可以是CMOS陣列或者CXD陣列。透鏡可以具有相對寬的視野，比方說三十度或者四十度。透鏡的目的在于在透鏡的視野內(nèi)的物體的光敏陣列上形成圖像。每個光源54被放置在相機52附近以使得來自光源54的光從各個后向反射器目標26反射到相機52上。以這種方式，由于后向反射器的圖像點比背景物體亮并且是脈沖的，所以在光敏陣列上可以容易地將后向反射器圖像與背景區(qū)分開?？梢源嬖趪@激光束46的線被放置的兩個相機52和兩個光源54。通過以這種方式使用兩個相機，三角形法則可以用于找到在相機的視野內(nèi)的任何SMR的三維坐標。此外，隨著SMR點到點地移動，可以監(jiān)視SMR的三維坐標。
[0032]一個或多個相機和光源的其他布置也是可能的。例如，光源和相機可以是與由跟蹤儀發(fā)射的激光束同軸的或者接近同軸。在這種情況下，可能需要使用濾光或者類似的方法以避免來自跟蹤儀的激光束充滿相機的光敏陣列。其他可能的布置是使用位于跟蹤儀的負載或底座上的單個相機。
[0033]如圖2所示，輔助單元70通常是現(xiàn)有技術(shù)的激光跟蹤儀10的一部分。輔助單元70的目的是向激光跟蹤儀本體提供電力并且在一些情況下也向系統(tǒng)提供計算能力和時鐘能力?？梢酝ㄟ^將輔助單元70的功能移入到跟蹤儀本體中來完全地除去輔助單元70。在大多數(shù)情況下，輔助單元70附接到通用計算機80。加載到通用計算機80上的應(yīng)用軟件可以提供諸如逆向工程的應(yīng)用能力。還可以通過將通用計算機80的計算能力直接構(gòu)建在激光跟蹤儀10中來除去通用計算機80。在這種情況下，將可能提供鍵盤和鼠標功能的用戶界面構(gòu)建在激光跟蹤儀10中。輔助單元70與計算機80之間的連接可以是無線的或者通過電線的線纜。計算機80可以連接到網(wǎng)絡(luò)，并且輔助單元70也可以連接到網(wǎng)絡(luò)。多個儀器例如多個測量儀器或者致動器可以通過計算機80或者輔助單元70連接在一起。
[0034]激光跟蹤儀10可以在其一側(cè)旋轉(zhuǎn)、從上向下旋轉(zhuǎn)，或者以任意方位被放置。在這些情況下，術(shù)語方位軸和頂點軸具有與圖1所示的方向相同的相對于激光跟蹤儀的方向而不管激光跟蹤儀10的方位。
[0035]在另一個實施方式中，由繞方位軸20和頂點軸18旋轉(zhuǎn)的鏡子代替負載15。激光束被指引向上并且照到鏡子上，激光束從鏡子朝向后向反射器26發(fā)射。
[0036]圖3是描繪現(xiàn)有技術(shù)的維度測量電子裝置處理系統(tǒng)1500的框圖，現(xiàn)有技術(shù)的維度測量電子裝置處理系統(tǒng)1500包括:激光跟蹤儀電子裝置處理系統(tǒng)1510，外圍元件1582、1584、1586，計算機1590以及此處用云表示的其他網(wǎng)絡(luò)部件1600。示例性激光跟蹤儀電子裝置處理系統(tǒng)1510包括:主處理器1520、負載功能電子裝置1530、方位編碼器電子裝置1540、頂點編碼器電子裝置1550、顯示器和用戶界面(UI)電子裝置1560、可移除存儲硬件1565、射頻標識(RFID)電子裝置1570以及天線1572。負載功能電子裝置1530可以包括許多子功能，該子功能包括六DOF電子裝置1531、相機電子裝置1532、ADM電子裝置1533、位置檢測器(PSD)電子裝置1534以及電平電子裝置1535。大部分子功能具有至少一個處理器單元，處理器單元可以是例如數(shù)字信號處理器(DSP)或者現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。電子裝置單元1530、1540以及1550因為它們在激光跟蹤儀內(nèi)的位置而如所示是分離的。在實施方式中，負載功能1530位于負載中，而方位編碼器電子裝置位于方位組件中并且頂點編碼器電子裝置1550位于頂點組件中。
[0037]許多類型的外圍設(shè)備都是可能的，但是此處示出了三種這樣的設(shè)備:溫度傳感器1582、六DOF探針1584以及例如可以是智能電話或者遙控裝置的個人數(shù)字助理1586。借助于諸如相機的視覺系統(tǒng)，并且借助于激光跟蹤儀到協(xié)作目標如六DOF探針1584的距離和角度讀取，激光跟蹤儀可以以各種方式與外圍設(shè)備進行通信，包括經(jīng)由天線1572進行的無線通信。
[0038]在實施方式中，分離的通信總線從主處理器1520出發(fā)到電子裝置單元1530、1540、1550、1560、1565以及1570中的每一個電子裝置單元。每個通信線路可以具有例如包括數(shù)據(jù)線、時鐘線以及分幀線的三根串行線。分幀線指示電子裝置單元是否應(yīng)當(dāng)注意時鐘線。如果分幀線指示應(yīng)當(dāng)給予注意，則電子裝置單元在每個時鐘信號處讀取數(shù)據(jù)線的當(dāng)前值。時鐘信號可以對應(yīng)于例如時鐘脈沖的上升沿。在實施方式中，在數(shù)據(jù)線上以分組的形式發(fā)送信息。在實施方式中，每個分組包括地址、數(shù)值、數(shù)據(jù)消息以及校驗和。地址指示在電子裝置單元內(nèi)數(shù)據(jù)消息要被指引到哪里。位置可以例如對應(yīng)于電子裝置單元內(nèi)的處理器子程序。數(shù)值指示數(shù)據(jù)消息的長度。數(shù)據(jù)消息包含電子裝置單元要執(zhí)行的數(shù)據(jù)或者指令。校驗和是用于使在通信線路上發(fā)送的錯誤幾率最小化的數(shù)值。
[0039]在實施方式中，主處理器1520將信息分組經(jīng)由總線1610發(fā)送至負載功能電子裝置1530，經(jīng)由總線1611發(fā)送至方位編碼器電子裝置1540，經(jīng)由總線1612發(fā)送至頂點編碼器電子裝置1550，經(jīng)由總線1613發(fā)送至顯示器和UI電子裝置1560，經(jīng)由總線1614發(fā)送至可移除存儲硬件1565，并且經(jīng)由總線1616發(fā)送至RFID和無線電子裝置1570。
[0040]在實施方式中，主處理器1520還同時將同步(同步)脈沖經(jīng)由同步總線1630發(fā)送到電子裝置單元中的每一個電子裝置單元。同步脈沖提供一種使通過激光跟蹤儀的測量功能收集的值同步的方式。例如，一接收到同步脈沖，方位編碼器電子裝置1540和頂點電子裝置1550就鎖存它們的編碼器值。類似地，負載功能電子裝置1530鎖存由包含在負載內(nèi)的電子裝置收集的數(shù)據(jù)。當(dāng)給出同步脈沖時，六DOF、ADM以及位置檢測器全部都鎖存數(shù)據(jù)。在大多數(shù)情況下，相機和傾斜計以比同步脈沖速率更低的速率來收集數(shù)據(jù)，但是可以以同步脈沖周期的倍數(shù)來鎖存數(shù)據(jù)。
[0041]激光跟蹤儀電子裝置處理系統(tǒng)1510可以與外部計算機1590進行通信，或者激光跟蹤儀電子裝置處理系統(tǒng)1510可以在激光跟蹤儀內(nèi)提供計算、顯示以及Π功能。激光跟蹤儀經(jīng)由通信鏈路1606與計算機1590進行通信，通信鏈路1606例如可以是以太網(wǎng)線路或者無線連接。激光跟蹤儀還可以經(jīng)由通信鏈路1602與由云表示的其他元件1600進行通信，通信鏈路1602可以包括諸如以太網(wǎng)電纜的一個或多個電纜以及一個或多個無線連接。元件1600的示例是其他三維測試儀器——例如可以由激光跟蹤儀重定位的關(guān)節(jié)臂CMM。計算機1590與元件1600之間的通信鏈路1604可以是有線(例如以太網(wǎng))或者無線的。坐在遠程計算機1590旁的操作者可以進行經(jīng)由以太網(wǎng)或者無線線路到由云1600表示的因特網(wǎng)的連接，這轉(zhuǎn)而經(jīng)由以太網(wǎng)或者無線線路連接至主處理器1520。以這種方式，用戶可以控制遠程激光跟蹤儀的操作。
[0042]圖4至圖7示出了本發(fā)明的實施方式中的方法和裝置。激光跟蹤儀10如圖1中那樣發(fā)送出激光束46，但是在一個實例中該光束中斷并且不再與后向反射器目標26對準。在另一個實例中，該光束仍被鎖定到后向反射器目標上，但是操作者希望將光束鎖定到不同的后向反射器目標上。在任一情況下，操作者例如通過按壓按鈕或者推動出現(xiàn)在手持設(shè)備410的UI上的軟按鍵來致動手持設(shè)備410 (圖7中的步驟705)。致動使得收發(fā)器415發(fā)射無線信號420，無線信號420可以是例如由分別在計算機80、輔助單元70及跟蹤儀65中的一個或多個收發(fā)器65A、65B以及65C接收的RF、微波或者紅外信號(圖7中的步驟708)。在本文件中，術(shù)語收發(fā)器用于表示包含發(fā)射器、接收器或者發(fā)射器和接收器二者的任何設(shè)備。輔助單元70可以包含電源和可選的主處理器1520，因此輔助單元70可以被認為是激光跟蹤儀65的部分。
[0043]由一個或多個收發(fā)器65A、65B以及65C對無線信號的接收使得軟件獲得后向發(fā)射器目標準則(圖7中的步驟710)。后向發(fā)射器目標準則是描述跟蹤儀要鎖定的目標的特征的準則。該準則可以例如是最接近來自激光跟蹤儀的光束46的后向發(fā)射器。本文后面描述后向發(fā)射器目標準則的其它示例。例如，準則可以由操作者通過按壓在手持裝置的UI上的軟按鍵而選擇。準則可以替代地由操作者通過提前選擇例如在與激光跟蹤儀一起使用的軟件的屬性或者設(shè)定菜單中的默認設(shè)定而設(shè)置。
[0044]圖4至圖6示出了對無線信號420的進一步響應(yīng)。通過執(zhí)行使事件的重復(fù)序列(圖7中的步驟720至740)被執(zhí)行的軟件，一個或多個收發(fā)器65A、65B和65C進行響應(yīng)(圖7中的步驟715)。接近每個定位相機52的一個或多個照明器54發(fā)出錐形光(圖7中的步驟720)，錐形光可以例如通過將光閃亮和閃滅而被及時調(diào)制。錐形光可以覆蓋相對寬的角度——例如60度。錐形光內(nèi)的任何后向反射器將光反射回一個或多個相機52(圖7中的步驟725)。包括在每個定位相機中的透鏡將每個照亮的后向反射器的圖像形成在作為相機的一部分的光敏陣列上(圖7中的步驟730)。圖5示出了將光510發(fā)射回定位相機54的附近的后向反射器26。
[0045]在步驟732中，軟件確定哪個后向反射器滿足后向反射器準則。例如，如果由操作者選擇的后向反射器準則是離跟蹤儀光束46最近的后向反射器目標，則軟件會估計在(一個或多個)相機的(一個或多個)光敏陣列上的圖像的位置以確定是否滿足后向反射器準貝U?；趯蓚€條件的估計來做出步驟732的決定。首先，軟件記錄位置檢測器是否正在接收后向反射的跟蹤儀光束46。如果該光束照在相對接近后向反射器目標的中心，則將由位置檢測器接收這種光束。基于由位置檢測器提供的信號電平來做出對位置檢測器是否接收到后向反射器光的確定。例如，一種類型的位置檢測器是具有四個電極的側(cè)面型位置靈敏檢測器。通過在四個電極中的每一個電極處增加電壓電平，可以確定在位置檢測器上出現(xiàn)的總光功率。如果光功率超過預(yù)建立的電平，則指示光束46的后向反射部分存在。換言之，在這種情況下，激光跟蹤儀鎖定在目標上。其次，軟件記錄在(一個或多個)相機52的(一個或多個)光敏陣列上獲得的圖像是否對應(yīng)于滿足后向反射器目標準則的后向反射器的位置。如果是這樣的情況并且如果位置檢測器正在接收跟蹤儀光束46的后向反射部分，則如步驟745所示，流程繼續(xù)跟蹤后向反射器目標。否則，在步驟740中，啟動方位(AZ)電機和頂點(ZE)電機來驅(qū)動跟蹤儀光束朝向所選的后向反射器目標。然后重復(fù)步驟720至740直到滿足步驟735的退出條件為止。
[0046]在步驟745中，通過啟動AZ電機和ZEN電機來初始化對后向反射器目標上的光束的跟蹤，以保持光束大致集中在位置檢測器上?？梢杂刹僮髡吒櫤笙蚍瓷淦鞯疥P(guān)注的位置，在該點處跟蹤儀可以用于測量距離和兩個角度以確定待測試的物體的三維坐標(圖7中的步驟750)。
[0047]針對圖8所示出的其中兩個后向反射器26、28在由照明器54發(fā)射的錐形光內(nèi)的情況，示出了步驟710的選擇準則的使用。在實施方式中，由操作者選擇目標準則，這可以例如在如圖9所示的智能電話的MU軟按鍵上提供。在圖9的示例選擇中，操作者可以選擇:最接近當(dāng)前光束方向的后向反射器目標、離最近的光束方向最遠的后向反射器目標(可以通過圍繞錐形光的外緣“拖動”SMR而用于改變跟蹤儀的方向)、最快的后向反射器目標(可以用于從靜止目標的集合中選擇運動目標)、最接近慣性測量單元的后向反射器目標(MU，如本文后面所討論的，可以是在智能電話中的MU)、在MU被指向的方向上的后向反射器目標(如本文后面所述的)、從圖像所選擇的后向反射器目標。對于可以提供的選擇有許多其他的可能。
[0048]在另一個實施方式中，提前選擇出選擇模式作為設(shè)定值或者默認值。例如，操作者可能希望總是使跟蹤儀光束鎖定在最接近IMU的后向反射器目標上或者操作者可能總是希望從圖像來選擇后向反射器。例如，可以由操作者在與激光跟蹤儀一起使用的計算機程序上選擇這種設(shè)定。
[0049]用戶可以做出的一個選擇是，本文所討論的方法是否僅適用于其中光束中斷(不跟蹤后向反射器)的情況，或者該方法是否也應(yīng)該適用于其中光束正在跟蹤目標并且操作者希望將后向反射器指引至另一個目標的情況。
[0050]作為示例，我們考慮圖10的情況，但是首先給出關(guān)于慣性測量單元(MU)525的一些背景，慣性測量單元(MU) 525是手持設(shè)備510的部分。IMU是提供關(guān)于線性運動或旋轉(zhuǎn)運動或者位置的信息作為慣性傳感器的結(jié)果的設(shè)備。慣性傳感器的示例是加速度計(是與傾斜計相同的事物)、陀螺儀、磁強計(指南針)以及全球定位系統(tǒng)(GPS)設(shè)備。如今對于智能電話包含三維加速度計、三維陀螺儀、指南針以及GPS是常見的。通過建立與激光跟蹤儀有關(guān)的IMU的初始位置，可以隨著時間的過去而得到對IMU的位置相對良好的估計。例如，在由跟蹤儀正在測量后向反射器目標時，如果操作者在襯衫口袋里有智能電話，則可以容易地獲得手機中的IMU的初始位置。然后智能電話具有被測量的后向反射器目標的近似三維坐標。隨著操作者到處移動，手機中的MU可以提供對后向反射器位置的更新估計。
[0051]在圖10中，光束46被鎖定在后向反射器26上，但是操作者希望跟蹤該操作者正持有的不同的后向反射器28。操作者正在使用包含慣性測量單元525和收發(fā)器515的手持設(shè)備510。操作者在圖9的Π中選擇“最近的MU”或者通過一些其他方式(諸如通過將“最接近的IMU”作為默認選擇)。當(dāng)操作者致動手持設(shè)備以從收發(fā)器515發(fā)射無線信號時，由收發(fā)器65A、65B或者65C接收的無線信號可以開啟軟件，該軟件執(zhí)行圖9的步驟，如圖11所示的那樣驅(qū)動光束46至后向反射器目標28。如以上所討論的，對于圖10和圖11所描述的情況，光束最初被鎖定在一個目標上，但是被操作者指引至另一個目標。
[0052]在智能電話和其他手持設(shè)備中發(fā)現(xiàn)的IMU不僅提供關(guān)于智能電話的位置的信息，而且提供關(guān)于其中智能電話正指向的方向的信息。該能力可以用于提供圖12中所示的有用的測量技術(shù)。在圖12所示的情況下，由于設(shè)備中的MU 625，因此已知手持設(shè)備610的近似位置和方向。通過將手持設(shè)備指向期望目標28處，面向后方的相機645可以用于獲得在顯示屏幕635中心附近的圖像638。利用以這種方式定向的手持設(shè)備，可以將空間中的線從手持設(shè)備610拖至相機52中的每一個相機。這個線可以算術(shù)地映射在相機52的光敏陣列中的每一個光敏陣列上和用于確定最接近映射線的那些后向反射器目標的軟件上。
[0053]另一個可能性是使相機52發(fā)送圖像，該圖像表示從激光跟蹤儀的視角來看后向反射器目標的相對位置。然后操作者可以選擇關(guān)注的后向反射器目標。
[0054]本文以上所描述的手持設(shè)備可以是若干不同類型中的任何類型。手持設(shè)備可以是遙控裝置、移動電話(包括智能電話)、電子平板電腦或者鍵盤。雖然在大多數(shù)情況下無線通信是有利的，但也可以使用本文所描述的利用有線方法的方法——換言之，利用通過有線連接與激光跟蹤儀或者關(guān)聯(lián)計算機進行通信的手持設(shè)備。
[0055]雖然已示出和描述了優(yōu)選實施方式，但在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以做出各種修改和替換。因此，應(yīng)理解的是，已經(jīng)通過示意和不限制的方式描述了本發(fā)明。
[0056]因此，認為目前公開的實施方式在所有方面是示意性的并且是無限制的，因此由所附權(quán)利要求而不是前面的描述所指示的本發(fā)明的范圍，以及在權(quán)利要求的等效的意義和范圍內(nèi)的所有變化，都包含在本發(fā)明的范圍中。
【權(quán)利要求】
1.一種用于利用激光跟蹤儀鎖定和跟蹤所選的后向反射器目標的方法，所述鎖定和跟蹤在操作者的指導(dǎo)下被實施，所述方法包括下述步驟: 設(shè)置至少一個后向反射器目標； 設(shè)置所述激光跟蹤儀，所述激光跟蹤儀具有:結(jié)構(gòu)體、第一光源、測距儀、第一角度變換器、第二角度變換器、位置檢測器、相機、第二光源以及處理器，所述結(jié)構(gòu)體可繞第一軸和第二軸旋轉(zhuǎn)；所述第一光源被配置成產(chǎn)生與所述測距儀協(xié)作的第一光束，所述第一角度變換器被配置成測量繞所述第一軸的旋轉(zhuǎn)的第一角度，所述第二角度變換器被配置成測量繞所述第二軸的旋轉(zhuǎn)的第二角度，所述位置檢測器被配置成接收反射光束，所述反射光束是由后向反射器目標反射的所述第一光束，所述相機包括透鏡系統(tǒng)和光敏陣列，所述第二光源被配置成提供錐形光，所述第一光束和所述錐形光相對于所述結(jié)構(gòu)體是固定的，所述第二光源被配置成與所述相機協(xié)作，所述相機具有視野，所述處理器被配置成操作所述激光跟蹤儀； 設(shè)置被耦接到所述激光跟蹤儀或者被耦接到與所述激光跟蹤儀通信的計算機的收發(fā)器，所述收發(fā)器包括接收器和可選的發(fā)送器； 設(shè)置被配置成與所述收發(fā)器進行無線通信的手持設(shè)備； 將所述至少一個后向反射器目標定位在所述相機的所述視野中； 由所述操作者致動所述手持設(shè)備并且響應(yīng)于所述致動將無線消息發(fā)送至所述收發(fā)器； 確定后向反射器目標準則； 通過重復(fù)執(zhí)行包括下述步驟(a)至(e)的循環(huán)中的步驟并且當(dāng)滿足退出條件時退出所述循環(huán)來對所述無線消息進行響應(yīng): (a)由所述至少一個后向反射器目標反射所述錐形光的一部分并且在所述光敏陣列上捕獲陣列圖像； (b)確定哪個后向反射器目標滿足所述后向反射器目標準則，所述確定至少部分基于所述陣列圖像，滿足所述后向反射器目標準則的后向反射器目標被稱為所選的后向反射器目標； (c)利用所述位置檢測器測量信號電平并且基于所述信號電平來確定所述位置檢測器是否正在接收所述反射光束； (d)建立是否滿足所述退出條件，當(dāng)且僅當(dāng)所述位置檢測器接收到所述反射光束并且所述反射光束來自所述所選的后向反射器目標時滿足所述退出條件； (e)啟動第一電機和第二電機來控制所述第一光束朝向所述所選的后向反射器目標； 啟動所述第一電機和所述第二電機來控制所述反射光束以使得保持所述反射光束在所述位置檢測器上；以及 利用所述測距儀測量距第一后向反射器目標的距離，利用所述第一角度變換器測量距所述第一后向反射器目標的第三角度，并且利用所述第二角度變換器測量距所述第一后向反射器目標的第四角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在設(shè)置手持設(shè)備的步驟中，所述手持設(shè)備是手持電話。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在設(shè)置手持設(shè)備的步驟中，所述手持設(shè)備是遙控>J-U ρ?α裝直。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定后向反射器目標準則的步驟還包括由所述操作者利用所述手持設(shè)備選擇后向反射器目標準則。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定后向反射器目標準則的步驟還包括設(shè)置并使用默認后向反射器目標準則。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述準則選自由下述準則組成的組:所述后向反射器目標具有最接近所述光敏陣列的中心的圖像；所述后向反射器目標具有最接近所述光敏陣列的邊緣的圖像；所述后向反射器具有從連續(xù)陣列圖像所確定的在后向反射器目標圖像中具有最大速度的圖像；所述后向反射器目標圖像與位于比在所述相機的所述視野中的任何其他后向反射器目標更接近慣性測量單元的后向反射器目標對應(yīng)；所述后向反射器目標具有與位于比任何其他后向反射器目標更接近在所述慣性測量單元處起始并且投射朝向所述后向反射器目標的線的后向反射器目標對應(yīng)的圖像；以及所述后向反射器目標由所述操作者從由從所述收發(fā)器發(fā)送至所述手持設(shè)備的所述陣列圖像中的圖像所表示的后向反射器目標中選擇。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，設(shè)置手持設(shè)備的步驟還包括下述步驟: 設(shè)置慣性測量單元，所述慣性測量單元被配置成測量慣性量； 將所述慣性測量單元放置在第二后向反射器目標的附近； 利用所述激光跟蹤儀測量所述第二后向反射器的第一位置； 利用所述慣性測量單元測量初始慣性量； 將初始慣性量從所述慣性測量單元無線發(fā)送至所述第一收發(fā)器；以及 將所述慣性測量單元的初始位置設(shè)定至所述第二后向反射器的所述第一位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，在設(shè)置手持設(shè)備的步驟中，所述慣性測量單元包括三維加速度計和三維陀螺儀，所述三維加速度計被配置成測量三個維度上的加速度并且所述三維陀螺儀被配置成測量繞三個軸的角方向的變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，由所述操作者致動所述手持設(shè)備的步驟還包括下述步驟: 將所述慣性測量單元放置在第三后向反射器目標的附近； 利用所述慣性測量單元測量第二慣性量； 將第二慣性量從所述慣性測量單元無線發(fā)送至所述第一收發(fā)器； 至少部分基于由所述第一收發(fā)器接收的所述第二慣性量來獲得所述第三后向反射器目標的近似位置；以及 確定所述第三后向反射器目標是所選的后向反射器目標，所述確定至少部分基于所述慣性測量單元的近似位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，由所述操作者致動所述手持設(shè)備的步驟還包括下述步驟: 由所述操作者將所述手持設(shè)備瞄準在所述第三后向反射器目標的方向上； 利用所述慣性測量單元測量第二慣性量； 將第二慣性量從所述慣性測量單元無線發(fā)送至所述第一收發(fā)器； 獲得所述第三后向反射器目標所在的近似線，所述近似線至少部分基于由所述第一收發(fā)器接收的所述第二慣性量；以及 確定所述第三后向反射器目標是所選的后向反射器目標，所述確定至少部分基于所述第三后向反射器目標所在的近似線。
【文檔編號】G01S17/02GK104246535SQ201380020286
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月19日
【發(fā)明者】肯尼斯·斯特菲, 格雷戈里·D·皮斯, 羅伯特·E·布里奇斯 申請人:法羅技術(shù)股份有限公司