[发明专利]坐标测量系统与方法

说明书

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。

在说明书和权利要求书通篇中，坐标测量系统指代位置探测系统。

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。

激光跟踪器利用基于角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的垂直和水平角度，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。

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。

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。

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帧速率实时处理，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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。