通過激光跟蹤儀對維度數據的自動測量的制作方法

通過激光跟蹤儀對維度數據的自動測量的制作方法
【專利摘要】通過具有回射器目標和激光跟蹤儀的系統進行測量包括存儲用于三個目標以及至少一個附加點的名義坐標的列表；在跟蹤儀的感光陣列上捕捉通過光束發射并反射離開三個目標的一部分光線；根據反射離開三個目標的光線，獲得跟蹤儀相機的感光陣列上的光點位置；確定跟蹤儀感光陣列上的三個光點位置與三個目標的名義坐標之間的對應關系；至少部分地基于第一光點位置和第一目標的名義坐標，將來自跟蹤儀的光束引導到三個目標；通過跟蹤儀測量三個目標的三維坐標；至少部分地基于測量的三個目標的三維坐標以及至少一個附加點的名義坐標，確定至少一個附加點的三維坐標。
【專利說明】通過激光跟蹤儀對維度數據的自動測量
[0001] 本發明申請是國際申請日為2012年3月14日、國際申請號為"PCT/ US2012/028984"、國家申請號為"201280013306. X"、發明名稱為"通過激光跟蹤儀對維度數 據的自動測量"的發明專利申請的分案申請。
[0002] 相關申請的交叉參考
[0003] 本申請要求2011年3月14日提交的美國臨時專利申請No. 61/452, 314的優先 權，其全部內容通過參考合并于此。本申請還要求2011年12月30日提交的美國專利申請 No. 13/340, 730的優先權，該美國專利申請No. 13/340, 730要求2011年4月20日提交的美 國專利申請No. 13/090, 889的優先權，該美國專利申請No. 13/090, 889要求2010年4月21 日提交的美國臨時專利申請No. 61/326, 294的優先權，這些申請的全部內容通過參考合并 于此。此外本申請要求2011年4月15日提交的美國臨時專利申請No. 61/475,703的優先 權，其全部內容通過參考合并于此。此外本申請要求2012年1月30日提交的美國臨時專 利申請No. 61/592, 049的優先權，其全部內容通過參考合并于此。此外本申請要求2012年 2月29日提交的美國專利申請No. 13/407,983的優先權，該美國專利申請No. 13/407,983 要求2011年3月3日提交的美國臨時專利申請No. 61/448,823的優先權，這兩個申請的全 部內容通過參考合并于此。

【技術領域】
[0004] 本公開涉及例如像激光跟蹤儀這樣的計量裝置，尤其涉及利用一個或多個與激光 跟蹤儀相關聯（例如，作為激光跟蹤儀的部件）的定位器相機來自動識別物體上放置的多 個回射器（retroref lector)目標中每個目標的激光跟蹤儀。

【背景技術】
[0005] 有一種稱為激光跟蹤儀的儀器，通過向與點接觸的回射器目標發出激光束，來測 量該點的坐標。該儀器通過測量到目標的距離和兩個角度，確定該點的坐標。距離通過諸 如絕對距離計量儀或干涉儀這樣的測距裝置測量。角度通過諸如角度編碼器這樣的測角裝 置測量。儀器中的萬向束控機構將激光束引導到感興趣的點。
[0006] 激光跟蹤儀是通過它發射的一個或多個激光束跟蹤回射器目標的特殊類型的坐 標測量裝置。另一種稱為全站儀或視距儀的儀器可測量擴散的散射面上的回射器或點。通 常精度為千分之一英寸并且在某些情況下差不多為一或兩個微米量級的激光跟蹤儀一般 比全站儀精確得多。本申請全部采用包括全站儀的激光跟蹤儀的廣義定義。
[0007] 一般而言，激光跟蹤儀向通常位于待測物體表面上的回射器目標發出激光束。普 通類型的回射器目標是球面安裝的回射器（SMR)，它包括嵌入金屬球中的立方隅角回射器。 立方隅角回射器包括三個相互垂直的鏡子。頂點是三個鏡子的公共交點，位于球心附近。因 為球中立方隅角的這種布置，從頂點到SMR所在物體的任一表面的垂直距離都保持幾乎恒 定，即使在SMR旋轉時。因此，當SMR在表面上移動時，激光跟蹤儀可以通過跟隨SMR的位 置，測量該表面的3D坐標。換言之，激光跟蹤儀只需要測量三個自由度（一個徑向距離和 兩個角度）就能表現表面的3D坐標的特征。
[0008] 有些激光跟蹤儀具有測量六個自由度（D0F)的能力，六個自由度可包括三個平 移，例如x、y和z,以及三個旋轉，例如俯仰、翻滾和偏轉。通過參考合并于此的授予Bridges 等的美國專利No. 7,800,758( '758)中描述了示例性的六-DOF激光跟蹤儀系統。'758專 利公開了一種保持立方隅角回射器的探針，回射器上放有標志。放有這種標志的回射器被 稱為六D0F回射器。通過來自激光跟蹤儀的激光束照亮立方隅角回射器，且通過激光跟蹤 儀中的相機捕捉立方隅角回射器上的標志。基于相機獲得的圖像計算三個方位自由度，例 如俯仰角、翻滾角和偏轉角。激光跟蹤儀測量到立方隅角回射器頂點的距離和兩個角度。當 給出頂點的三個平移自由度的距離和兩個角度與通過相機圖像獲得的三個方位自由度組 合時，可以找到相對于立方隅角回射器的頂點布置在預定位置的探針頂端的位置。這種探 針頂端例如可用于測量來自激光跟蹤儀的激光束的視線之外的"隱藏"特征的坐標。
[0009] 激光跟蹤儀的一種通常應用是測量較大的物體，看它的實際尺寸與設計尺寸（例 如，如同CAD數據給出的）相比怎么樣。在特定應用中可能使用這些物體中的若干物體，并 且通常希望這些物體在幾何結構上相同。物體的幾何結構中最初或者隨時間發展的任何變 形都會影響該物體作為其一部分的整個系統中的其他操作。例如，如果物體以任何方式彎 曲或扭曲，都會導致制造缺陷和不良的產品質量。
[0010] 已知，為了測量的目的，通常需要至少三個點來建立激光跟蹤儀與物體之間的關 系。如同現有技術中已知的，操作者以足夠的精度手動測量這些初始點的能力是供參考的 領域。
[0011] 因此，需要激光跟蹤儀或類似測量裝置的操作者能夠不必手動測量目標點（例如 SMR)。作為代替，期望激光跟蹤儀的操作者利用激光跟蹤儀中的相機系統自動測量任何特 定應用所需的所有目標點，從而顯著減少測量過程中操作者誤差的可能性，并且不需要專 門技能和/或訓練。
[0012] 更一般而言，需要一種方法和系統，其中激光跟蹤儀自動執行之前必須手動執行 的很多功能。期望即使是不熟練的操作者執行測量，也通過激光跟蹤儀快速獲得一致的測 量。通常的測量包括工具檢查測量；例如，白車身裝配線中的車箱是要檢查或監測的工具的 示例。工具的其他示例包括薄片金屬沖壓夾具，以及用于裝配一部分飛機結構的裝配工具。 一般而言，對于汽車或航空應用中制造的幾乎每個部件，都有對應的工具。因此，期望通過 激光跟蹤儀改善測量這些工具的處理。此外，期望將測量處理應用于完成的部件。


【發明內容】

[0013] 一種用于通過系統進行測量的方法包括步驟：提供包括回射器目標的集合以及激 光跟蹤儀的系統，回射器目標的集合包括至少三個非共線回射器目標，至少三個非共線回 射器目標包括第一目標、第二目標和第三目標，第一參考框架中的激光跟蹤儀關于跟蹤儀 環境固定，激光跟蹤儀具有結構、第一光源、絕對距離計量儀、第一角度變換器、第二角度變 換器、跟蹤系統、第一相機、第二光源以及處理器，結構關于第一軸和第二軸能旋轉，第一光 源產生與絕對距離計量儀協作的第一光束，第一角度變換器測量關于第一軸的第一旋轉角 度，第二角度變換器測量關于第二軸的第二旋轉角度，跟蹤系統被配置為將第一光束移動 到回射器目標集合中的任意回射器目標的中心，第一相機包括第一透鏡系統和第一感光陣 列，第二光源提供第二光束，并且處理器被配置為操作激光跟蹤儀；存儲用于第一目標、第 二目標、第三目標以及至少一個附加點的名義坐標的列表，名義坐標是第二參考框架中的 三維坐標；在第一感光陣列上捕捉通過第二光束發射并反射離開第一目標、第二目標和第 三目標的一部分光線；根據反射離開第一目標、第二目標和第三目標中的每個目標的一部 分光線，獲得感光陣列上的光點位置；分別確定第一感光陣列上的第一光點位置、第二光點 位置和第三光點位置與第一目標、第二目標和第三目標的名義坐標之間的對應關系；至少 部分地基于第一光點位置和第一目標的名義坐標，將第一光束引導到第一目標；利用絕對 距離計量儀、第一角度變換器和第二角度變換器測量第一目標的三維坐標；至少部分地基 于第二光點位置和第二目標的名義坐標，將第一光束引導到第二目標；利用絕對距離計量 儀、第一角度變換器和第二角度變換器測量第二目標的三維坐標；至少部分地基于第三光 點位置和第三目標的名義坐標，將第一光束引導到第三目標；利用絕對距離計量儀、第一角 度變換器和第二角度變換器測量第三目標的三維坐標；至少部分地基于測量的第一目標、 第二目標和第三目標的三維坐標以及至少一個附加點的名義坐標，確定第一參考框架中至 少一個附加點的三維坐標；以及存儲確定的至少一個附加點的三維坐標。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 下面參照附圖，所示的示例性實施例不應解釋為對本公開的全部范圍的限制，并 且其中，在若干附圖中對元件類似地編號：
[0015] 圖1是根據實施例的激光跟蹤儀、輔助單元和外部計算機的立體圖；
[0016] 圖2是根據實施例的圖1的激光跟蹤儀的立體圖，該激光跟蹤儀具有附加的窄視 場相機和關聯光源；
[0017] 圖3示出三維矢量圖的二維表示；
[0018] 圖4A是在圖1的激光跟蹤儀的剛性結構部分上設置的寬場定位器相機的正視圖， 其中剛性結構被旋轉，以使得定位器相機能夠同時觀看多個回射器目標；
[0019] 圖4B是沿著圖4A的線410-410看去、圖4A的定位器相機的剖視圖；
[0020] 圖5A是在激光跟蹤儀對物體上的各種目標點自動進行測量下，關于要通過激光 跟蹤儀測量的物體的第一方位中、圖1的激光跟蹤儀的立體圖；
[0021] 圖5B是在激光跟蹤儀對物體上的各種目標點自動進行測量下，在關于要通過激 光跟蹤儀測量的物體的第二方位中、圖1的激光跟蹤儀的立體圖；
[0022] 圖6示出根據實施例的激光跟蹤儀中的電子處理器元件；
[0023] 圖7是示出通過根據實施例的系統測量的步驟的流程圖；
[0024] 圖8是示出通過根據實施例的系統測量的步驟的流程圖；
[0025] 圖9是示出通過根據實施例的系統測量的步驟的流程圖；
[0026] 圖10是示出通過根據實施例的系統測量的步驟的流程圖；
[0027] 圖11是示出通過根據實施例的系統測量的步驟的流程圖；
[0028] 圖12是示出通過根據實施例的系統測量的步驟的流程圖；
[0029] 圖13是示出通過根據實施例的系統測量的步驟的流程圖；
[0030] 圖14是示出通過根據實施例的系統測量的步驟的流程圖；以及
[0031] 圖15是示出通過根據實施例的系統測量的步驟的流程圖。

【具體實施方式】
[0032] 圖1示出示例性激光跟蹤儀10。激光跟蹤儀10的示例性萬向束控機構12包括 天頂架14,天頂架14安裝在方位底座16上并繞方位軸20旋轉。載荷15安裝在天頂架14 上并繞天頂軸18旋轉。在跟蹤儀10內部，天頂機械旋轉軸（未示出）與方位機械旋轉軸 (未示出）在萬向點22正交,萬向點22通常是用于距離測量的原點。激光束46虛擬通過 萬向點22并垂直指向天頂軸18。換言之，激光束46處于與天頂軸18垂直的平面。激光束 46通過跟蹤儀中的電機（未示出）指向期望的方向，電機繞天頂軸18和方位軸20旋轉載 荷15。在跟蹤儀10內部，天頂和方位角度編碼器（未示出）附接于天頂機械軸（未示出） 和方位機械軸（未示出），并以較高的精度指出旋轉的角度。激光束46傳向外部回射器26， 例如上述球面安裝的回射器（SMR)。通過測量萬向點22與回射器26之間的徑向距離以及 關于天頂軸18和方位軸20的旋轉角，在跟蹤儀的球面坐標系中找到回射器26的位置。
[0033] 激光跟蹤儀10是具有裝置參考框架30的裝置。裝置參考框架可將萬向點22作為 其原點。參考框架可關于方位底座16固定，方位底座16通常關于環境靜止。裝置參考框 架可通過各種坐標系表示。一種坐標系是有三個垂直軸x、y和z的笛卡爾坐標系。另一種 坐標系是球面坐標系。球面坐標30中的點74在球面坐標系中可通過一個徑向距離73 (r)、 第一（天頂）角72(θ)以及第二（方位）角71( P )表示。角度Θ通過利用將點74投 射在ζ軸上獲得。角度Ρ通過利用將點74投射在x-y平面上獲得。激光跟蹤儀10固有地 在球面坐標系中進行測量，但是在球面坐標中測量的點可以容易地轉換為笛卡爾坐標。
[0034] 目標26可以與待測物體（object under test)61接觸。待測物體61具有物體參 考框架40。物體參考框架例如可以用笛卡爾坐標x、y和z來表示。物體參考框架40的X、 y和z軸隨著物體61移動，不一定與裝置參考框架30的對應裝置軸X、y和z平行。目標 26可以被放置為在點63與物體表面61接觸。為了找到點63的三維（3D)坐標，跟蹤儀首 先利用其已經測量的距離和兩個角度確定目標26的中心。這也可以用于說明回射器參考 點（例如，立方隅角頂點）關于目標26的球面接觸表面的中心的矢量偏移。為了從目標中 心移動到工件表面，中心點位置偏移一個等于球面目標表面半徑的量。在實施例中，通過測 量靠近接觸點63的若干點，找到偏移方向，以確定點63處的表面法線。
[0035] 激光束46可包括一個或多個激光波長。為了清楚和簡明起見，在下面的討論中采 取圖1所示類型的轉向機構。但是，其他類型的轉向機構也可以。例如，可以從繞著方位軸 和天頂軸旋轉的鏡子反射激光束。作為另一個示例，可以利用諸如電流計電機這樣的致動 器驅動的兩個轉向鏡來使光束轉向。在后一情況下，不需要提供方位和天頂機械軸就可以 使光束轉向。這里所述的技術不管轉向機構的類型如何都是可行的。
[0036] 在示例性激光跟蹤儀10中，將相機52和光源54設置在載荷15上。光源54照亮 一個或多個回射器目標26。在實施例中，光源54是通過電學方式驅動以重復發射脈沖光 的LED。每個相機52包括感光陣列以及放置在感光陣列前面的透鏡。感光陣列例如可以 是CMOS或CCD陣列。在實施例中，透鏡具有較寬的視場，例如30或40度。透鏡的目的是 在感光陣列上形成透鏡視場中物體的圖像。通常，在相機52附近放置至少一個光源54,因 此，來自光源54的光線反射離開每個回射器目標26到相機52上。（為了以能夠在相機52 上看見的方式照亮回射器目標，光源54必須靠近相機；否則反射光將以過大的角度反射并 錯過相機。）通過這種方式，容易將回射器圖像與感光陣列上的背景相區別，因為它們的圖 像光點比背景物體更亮，并且是脈沖的。在實施例中，在激光束46周圍放置兩個相機52和 兩個光源54。通過以這種方式使用兩個相機，可以利用三角測量原理來找到相機視場中任 何SMR的三維坐標。此外，當SMR點到點移動時，可以監測SMR的三維坐標。在Bridges等 的美國公開專利申請No. 2010/0128259中描述了為此目的使用兩個相機，通過參考將其內 容合并于此。
[0037] 輔助單元50可以是激光跟蹤儀10的部件。輔助單元50的目的是向激光跟蹤儀 本體提供電功率，在某些情況下還向系統提供計算和計時能力。通過將輔助單元50的功能 轉移到跟蹤儀本體，可以完全去除輔助單元50。在大多數情況下，將輔助單元50附接于通 用計算機60。載入通用計算機60的應用軟件可以提供諸如逆向工程這樣的應用能力。通 過將通用計算機60的計算能力直接建立在激光跟蹤儀10中，也可以完全去除通用計算機 60。在這種情況下，可將可能提供鍵盤和鼠標功能的用戶接口建立在激光跟蹤儀10中。輔 助單元50與計算機60之間的連接可以是無線的，也可以通過電線的線纜。計算機60可以 連接到網絡，輔助單元50也可以連接到網絡。通過計算機60或輔助單元50,可將多個儀器 (例如多個測量儀器或者致動器）連接在一起。在實施例中，省略輔助單元，并在激光跟蹤 儀10與計算機60之間直接進行連接。
[0038] 在本發明的替代性實施例中，激光跟蹤儀10可以同時利用激光跟蹤儀10上的寬 視場（F0V)和窄F0V相機52兩者。下面描述同時使用這種相機的各種示例性方法。
[0039] 在第一實施例中，圖1中其中一個相機52是窄F0V相機，而另一個相機52是寬 F0V相機。通過這種配置，寬F0V相機52在較寬的角度范圍里識別回射器目標26。激光跟 蹤儀10在特別選擇的回射器目標26的方向上轉動光束46,直到回射器目標26在窄F0V相 機52的F0V中。然后激光跟蹤儀10可以執行下述方法，利用激光跟蹤儀10上安裝的兩個 相機52上的圖像，找到回射器目標的位置。這樣做是為了找到對回射器目標26位置的最 佳估計。
[0040] 在圖2所示的另一實施例中，兩個相機52都是寬F0V相機。此外，還有窄F0V相 機58和鄰近光源56。兩個寬F0V相機52確定回射器目標26的三維位置，并使跟蹤儀光束 46轉向目標26。當窄F0V相機58也看見回射器目標26時，將全部三個相機52、58提供的 信息都用于計算回射器目標26的三維位置。
[0041] 在另一實施例中，將圖1中的兩個寬F0V相機52用于確定目標的位置并使激光束 轉向它。與授予Bridges等的上述美國專利No. 7, 800, 758 ( '758)(通過參考合并于此） 的圖2和圖7中所示的方位相機210相類似，方位相機觀看被照亮的回射器目標26周圍的 小區域。通過觀察回射器26在方位相機210的感光陣列中的位置，激光跟蹤儀10可以立 即將激光束46引導到回射器26的中心。
[0042] 下面描述利用圖1和圖2的、安裝在激光跟蹤儀10前面的兩個相機52上的圖像 找到回射器目標的方法。
[0043] 與激光跟蹤儀10相關聯的5個參考框架：繞載荷15旋轉的載荷參考框架；繞天 頂架14旋轉的方位參考框架；關于方位底座16固定的跟蹤儀世界參考框架；以及兩個相 機參考框架。方位底座16關于其環境靜止。相機52包括透鏡系統（未不出）和感光陣列 (未示出）。圖4A至圖4B中給出包含透鏡系統和感光陣列的相機的典型說明。
[0044] 在實施例中，載荷參考框架的原點在萬向點22,位于沿著方位軸的點；與天頂方 向平行的y軸；與y軸垂直且近似平行于激光束的X軸；以及垂直于X軸和y軸的z軸。相 機52關于載荷參考框架固定。
[0045] 在實施例中，方位參考框架的原點在萬向點22 ;沿著方位方向的z軸；與天頂軸平 行且垂直于z軸的y軸；以及垂直于y軸和z軸的X軸。
[0046] 在實施例中，跟蹤儀世界參考框架的原點在萬向點22 ;沿著方位軸的z軸；在將方 位軸的角度設置為零度時與z軸垂直且平行于天頂軸的y軸；以及垂直于y軸和z軸的X 軸。
[0047] 在實施例中，相機參考框架的X軸是相機中透鏡系統的光軸。y軸和z軸垂直于X 軸并相互垂直，且分別對準相機52中感光陣列的像素的行和列。
[0048] 在激光跟蹤儀10中，天頂角和方位角分別是關于天頂軸和方位軸旋轉的角度，且 分別通過天頂編碼器和方位編碼器測量。知道載荷參考框架中相機光軸的方程以及天頂角 和方位角以后，就可將5個參考框架（載荷參考框架、方位參考框架、跟蹤儀世界參考框架 以及兩個相機參考框架）的任何一個變換為任何其他參考框架。通常利用變換矩陣來實現 這一點，變換矩陣是4X 4矩陣，包括3 X 3旋轉矩陣和實現平移的縮放分量。變換矩陣的使 用為本領域技術人員所公知。
[0049] 相機52和光源54用于找到載荷參考框架或任何其他參考框架中一個或多個回射 器目標26的位置。如果需要的話，可通過激光跟蹤儀10自動獲取這些目標。
[0050] 下面描述在載荷參考框架中找到回射器目標的方法。方法中第一步驟是打開光源 54以照亮回射器26,并在相機52上形成圖像。在某些情況下，可以暫時關閉照明，并得到 照亮場景與非照亮場景之間的差異。通過這種方式，可以移除背景特征，使得能夠更清楚地 揭示回射器目標。第二步驟是使用處理器（例如處理器50)，對相機52感光陣列上的每個 回射器光點計算中心點。例如中心點可被計算為圖心。第三步驟是對每個中心點建立相機 參考框架中的方向。在最簡單的近似下，通過在中心點與相機52的透視中心之間畫線來找 到方向。更復雜的分析可以在確定方向時考慮透鏡系統的像差。第四步驟是將透視中心的 坐標以及用于每個中心點的方向轉換為載荷參考框架。第五步驟是通過解聯立方程，對載 荷參考框架中回射器目標26的位置找到最佳估計，如下所述。
[0051] 對于每個回射器目標26,中心點形成在兩個相機52的每個相機的感光陣列上，并 且從這些中心點開始，可以構造指示從每個相機到回射器目標26的方向的線。在理想情況 下，兩條線在一個點相交，但是通常，兩條線是不精確相交的偏斜線。通過確定最近路徑的 線段，找到對兩條偏斜線的相交位置的最佳估計。最近路徑的線段垂直于兩條偏斜線的每 一個，并且短于與兩條偏斜線垂直的任何其他線段。通常，對回射器目標26位置的最佳估 計是最近路徑的線段的中點。
[0052] 圖3示出三維矢量圖的二維表示。例如在從上向下觀看跟蹤儀和回射器目標的俯 視圖中可以獲得這種表示。點〇是載荷參考框架的原點。矢量P和R從激光跟蹤儀的原點 分別延伸到第一相機和第二相機。矢量U表示通過第一相機的透視中心、并具有根據上述 方法中第三步驟計算的方向的線。矢量V表示通過第二相機的透視中心、并具有根據上述 方法中第三步驟計算的方向的線。矢量C表示從矢量U上的第一點延伸到矢量V上的第二 點的線段。矢量C垂直于矢量U和V。
[0053] 找到矢量C端點的一種方式是利用方程式：
[0054] P+u U+c C = R+v V, (1)
[0055] 其中包括標量量u、c和v以及矢量量P、U、C、R和V。
[0056] 此外，矢量C服從約束：
[0057] C = UXV, (2)
[0058] 其中X是叉乘運算符。矢量方程（1)可以通過X寫為第一方程，通過y寫為第二 方程，通過z寫為第三方程。利用公知的叉乘公式，可以根據U和V的x、y和z分量寫出矢 量C。C的x、y和z分量被代入第一方程、第二方程和第三方程。結果是x、y和z的三個方 程，其中所有矢量都是已知的，只有三個標量u、v和c留待確定。因為有三個方程和三個未 知數，所以可以確定三個值。
[0059] 沿著最近路徑的線路連接矢量U和V的線段的三維端點坐標％和Q2通過以下給 出：
[0060] Qj = P+u U, (3)
[0061] Q2 = R+v V。 （4)
[0062] 兩條線的交點的最佳估計Q通過以下給出：
[0063] (5)
[0064] 如果需要的話，可以使用其他數學方法來找到交叉點的最佳估計Q。例如，可以使 用最優化程序來找到％和Q 2的值。
[0065] 關于激光跟蹤儀10描述上述方法，激光跟蹤儀10具有從載荷15發射的光束46， 載荷15關于天頂軸18旋轉。但是，其他類型的機械轉向機構也可以。例如，可以用轉向鏡 代替載荷15。通過這種方式，從方位底座16將光束引導向上。光束到達轉向鏡并反射出跟 蹤儀外殼。附接于天頂機械軸的電機旋轉轉向鏡，以在期望方向上瞄準光束。在本實施例 中，用鏡子參考框架代替載荷參考框架，但是分析相同。
[0066] 也可以使用不附接于激光跟蹤儀載荷的一個或多個相機。這些相機可以附接于方 位架14,或者將它們全部獨立于激光跟蹤儀安裝。找到相機與激光跟蹤儀的參考框架之間 關系的方法可通過與上述類似的方式找到：可通過相機并通過激光跟蹤儀測量某些數量的 點，并使用測量結果來建立適當的變換矩陣。
[0067] 再參照圖2,因為在多數情況下窄F0V相機58具有較小的被每個像素覆蓋的角度 范圍，所以優選為窄F0V相機58的讀數賦予更多的權重。做到這一點的簡單方法是修改上 述方程式（5)。例如，如果窄F0V相機58的F0V是寬F0V相機58的F0V的四分之一，那么 代替上述方程式（5)使用的合理方程式可以是：
[0068] Q = 0. 2〇!+0, 8Q2 (6)
[0069] 可以使用的另一種數學方法是最小平方最優化程序，以找到對于回射器目標26 的最佳估計，但是相比于寬F0V相機52的讀數更多地強調窄F0V相機58的讀數。
[0070] 參照圖4A和圖4B，定位器相機400允許激光跟蹤儀10迅速確定激光跟蹤儀10的 較寬視場中多個回射器的近似位置。多個相同的光源401設置在包圍透鏡402的環上。或 者，可以使用更少的光源甚至單個光源。各個光源發射本質上非相干光440的重疊圓錐，共 同構成光錐。每個回射器將來自光錐的一部分光線反射回定位器相機400,作為光束。圖 4B示出光束457的其中一個。透鏡402將光束457聚焦為感光陣列404表面上的光點。感 光陣列404與透鏡402的前主平面相距透鏡的焦長f。
[0071] 電線441將來自激光跟蹤儀10中電源（例如輔助單元50)的電力提供給發射器 401和感光陣列404。此外電線441將來自感光陣列404的像素數據傳輸給通用計算機60， 例如用于分析。計算機60分析感光陣列404上的光線圖案，以確定感光陣列404上中心點 452的位置。此外計算機60進行通過回射器返回的其他光束形成的圖案的這種分析。換言 之，通過透鏡402將反射光束聚焦為感光陣列404上的圖案。計算機60分析這些圖案，以 確定每個圖案的中心點。根據中心點的位置，可以確定到每個回射器的近似角度方向。 [0072] 假定感興趣的回射器是多個回射器中的特定回射器。如果目的是獲取目標并通過 激光跟蹤儀測量目標位置，可以進行以下程序。啟動電機，轉動載荷，直到激光束瞄準特定 回射器的近似方向。如果目標位置的估計足夠好，則光束直接鎖定目標并開始目標的跟蹤。 如果目標位置的估計不夠好，一種可能性是啟動搜索，其中通過系統的方式改變激光束的 方向。例如，可以沿著螺旋圖案來使激光束轉向。當激光束與目標相交時，激光跟蹤儀中的 位置檢測器感測反射光線。來自位置檢測器的信號提供足夠的信息，使得電機能夠將載荷 直接瞄準特定回射器的中心。另一種可能性是操作者直接抓取激光跟蹤儀的機械機構，例 如載荷，并且手動引導光束朝向感興趣的回射器。在一個實施例中，如果操作者將光束引導 到充分靠近回射器中心，則LED開始在跟蹤儀前面閃光。如果光束更加靠近，則光束開始鎖 定回射器目標。如果光束不是很充分地靠近回射器中心以鎖定目標，那么可以進行快速搜 索程序，以定位回射器目標。
[0073] 在激光跟蹤儀10上有兩個或更多個定位器相機52的情況下，通常可以通過上述 的立體相機計算，直接建立回射器目標26與相機52的感光陣列上出現的目標中心之間的 一一對應關系。類似地，如果將單個相機52放置在激光跟蹤儀中的方式使得通過目標26 反射的光線在激光跟蹤儀的光軸上傳向相機，則相機與相機之間的視差被消除，并且通常 可以建立回射器目標與相機的感光陣列上出現的目標中心之間的 對應關系。如果使用 單個相機，可以使用替代性方法來建立目標中心與回射器目標之間的一一對應關系。一種 方法涉及將方位軸轉動到不同的角度，并觀察單個相機52的感光陣列上位置的改變。當方 位角改變時，感光陣列上中心的位置將改變一個取決于從激光跟蹤儀10到回射器26的距 離的量。對于方位角的給定變化，當與回射器的距離增加時，在感光陣列上兩個中心之間的 改變減少。通過改變激光跟蹤儀的天頂角而不是方位角，可以進行類似的程序。這種程序 的更詳細描述參照美國專利申請No. 2011/0260033( '033)的圖18描述，通過參考將該申 請合并于此。
[0074] 在某些情況下，激光跟蹤儀上的一個或多個相機足夠準確，以將來自激光跟蹤儀 的光束引導到充分靠近回射器目標的中心，使得反射回到激光跟蹤儀的光束被位置檢測器 拾取，從而導致激光束開始跟蹤目標。在這種情況下，控制激光跟蹤儀的軟件可以自動將來 自跟蹤儀的光束引導到每個目標，使得激光跟蹤儀距離計量儀和角度編碼器的較高精度被 變換為三維坐標值。在其他情況下，激光跟蹤儀上的一個或多個相機不一定足夠準確到立 即將來自激光跟蹤儀的光束引導到充分靠近回射器目標的中心，使得位置檢測器能夠立即 檢測光束并開始跟蹤。在這種情況下，來自激光跟蹤儀的光束可以瞄準目標，并且光束在搜 索圖案中被引導，以定位目標，如上所述。通過對測量體積內的每個目標重復該程序，可以 對每個目標點獲得比較準確的三維坐標。目標點的比較準確的三維坐標是重要的，因為它 們使得控制激光跟蹤儀的軟件能夠有效地進行目標點的自動測量，不需要進行中間目標搜 索。
[0075] 如同上述討論所建議的，本發明的某些方面要求獲得通過激光跟蹤儀上的一個或 多個相機觀看到的目標點與回射器目標點的三維坐標的列表之間的一一對應關系。下面描 述獲得目標點的三維坐標的列表的一些方法。在某些情況下，列表具有名義三維坐標，其與 實際的三維坐標差一個較大的量。在其他情況下，列表可具有較準確的三維坐標。
[0076] 在一個實施例中，根據描述物體上目標位置的CAD模型獲得激光跟蹤儀與待測物 體上目標點之間三維坐標的列表。
[0077] 在另一個實施例中，通過對相機觀察的每個點進行三維測量來獲得目標點與三維 坐標的列表之間的一一對應關系。可以在當前測量階段之前進行這種三維測量。
[0078] 在某些情況下，一個或多個相機上目標點的圖像可能過于接近地分開，而不能立 即確定目標點與相機圖像上光點之間的一一對應關系。在這種情況下，可利用上述方法，通 過激光跟蹤儀來測量點。例如，激光跟蹤儀可以將光束引導到目標。然后激光跟蹤儀可以 直接測量目標位置，或者，如果必要的話，通過搜索程序的幫助來測量目標位置。
[0079] 本發明的重要方面是激光跟蹤儀的參考框架與待測物體的參考框架之間關系的 建立。表達相同構思的另一種方式是說，重要的是有一種將激光跟蹤儀參考框架轉換為待 測物體參考框架或者反之的方法。
[0080] 這里教導了用于建立這種關系的三種方法。在第一方法中，通過激光跟蹤儀測量 至少三個回射器目標點。在第二方法中，通過激光跟蹤儀測量至少兩個目標點，此外通過激 光跟蹤儀和待測目標中每一個上設置的傾角計測量至少兩個傾角。在第三方法中，通過具 有六D0F測量能力的激光跟蹤儀測量單個六自由度（D0F)相機。通過組合根據三種方法的 任意方法獲得的信息，可將激光跟蹤儀置于待測物體的參考框架中。同樣，可將待測物體置 于激光跟蹤儀的參考框架中。
[0081] 下面對基于上文所述測量的信息的獲得，將待測物體置于跟蹤儀參考框架的方法 給出簡單說明。對于激光跟蹤儀測量三個回射器目標點的情況，通過允許三個測量點的其 中一個作為待測物體的局部參考框架的原點，允許第二個測量點建立X軸，并允許第三個 測量點建立y方向的分量，可以建立待測物體的局部坐標系。y軸被取為通過原點并垂直于 X軸。z軸被取為通過原點并垂直于X軸和y軸，且方向根據右手定則而定，這為本領域技 術人員所公知。待測物體可具有本身的參考坐標系，通過CAD制圖建立。例如，CAD制圖可 具有建立原點、X軸、y軸和z軸的數據。為了將CAD制圖置于激光跟蹤儀的參考框架中，或 者同樣地，將激光跟蹤儀置于CAD制圖的參考框架中，通常獲得三個變換矩陣。變換矩陣通 常為4X4矩陣，包括3X3矩陣旋轉矩陣以及說明參考框架相對于其他參考框架的平移的 縮放分量。在上述情況下，按照特定順序將三個變換矩陣一起相乘，以獲得總變換矩陣，將 測量值或CAD值變換為期望的參考框架。變換矩陣的使用為本領域技術人員所公知，這里 不再描述。
[0082] 對于除了激光跟蹤儀和待測物體的傾斜角度之外，激光跟蹤儀還測量至少兩個回 射器目標點的三維坐標的情況，通過允許第一回射器目標點作為待測物體的局部原點，并 允許從第一目標點到第二目標點的方向建立待測物體的局部X軸，可以建立待測物體的局 部坐標系。如果設置在激光跟蹤儀和待測物體上的傾角儀分別測量兩個垂直傾角以及重力 矢量，那么就可以再次使用本領域技術人員所公知的旋轉方法，旋轉待測物體，以排列兩個 重力矢量。因為關于提供待測物體的局部X軸與通過CAD模型定義的X軸之間的適當對應 關系的重力矢量，只有一種可能的旋轉，所以可以消除關于重力矢量的旋轉角度的不明確 性。只要通過激光跟蹤儀測量的兩個回射器目標點的三維坐標不形成與重力矢量一致的直 線，這種方法就有效。
[0083] 觀察參考框架之間的變換的另一種方式是考慮測量值提供的自由度的數量。例 如，當激光跟蹤儀測量第一回射器目標點時，就說在三個自由度上約束了待測物體的可能 移動，因為對于待測物體上的點，已經建立了與X、y和Z坐標相對應的第一、第二和第三自 由度。在物理上，這種約束將測量點的位置空間固定，但是允許待測物體在關于該點的任何 方向上旋轉。當激光跟蹤儀測量第二回射器目標點時，就說在附加的兩個自由度上約束了 待測物體的可能移動，因為待測物體不再具有以三個方位角的任一個旋轉的能力，而是被 約束為關于連接第一與第二回射器目標點的直線旋轉。因此三個方位自由度被降低為一個 方位自由度。對于5個自由度的總體約束，第一測量點約束三個平移自由度，而第二測量點 約束兩個方位自由度。因為在這種情況下有一個未約束自由度，所以約束自由度和未約束 自由度的總數為6。
[0084] 對于激光跟蹤儀和待測物體上的傾角儀分別測量相對于重力矢量的兩個傾角，并 且激光跟蹤儀測量僅一個目標點的三維坐標的情況，沒有足夠的信息來完全約束待測物 體。兩個傾角儀約束兩個角度，但是不提供關于待測物體的旋轉（關于重力矢量的旋轉） 的信息。換言之，兩個傾角儀約束兩個自由度。對于5個自由度的總體約束，通過激光跟蹤 儀測量的單個目標的三維坐標提供三個自由度的約束。因為完全約束需要6個自由度，所 以測量值不提供完全約束，并且物體自由地繞重力矢量移動。
[0085] 對于激光跟蹤儀和待測物體上的傾角儀分別測量相對于重力矢量的兩個傾角，并 且激光跟蹤儀測量兩個目標點的三維坐標的情況，有足夠的信息來完全約束待測物體，只 要兩個目標點不沿著重力矢量的方向建立直線。通過進行這種測量，就說待測物體被約束 在6個自由度中，只要兩個目標點不沿著重力矢量的方向擺放。
[0086] 對于兩個矢量沿著重力矢量的方向擺放的情況，就說待測物體被5個自由度約 束，因為沒有足夠的信息來確定待測物體關于重力矢量的方位。注意，自由度的數量不能通 過簡單地相加單個測量獲得的自由度的數量來確定。例如，單個點的測量約束3個自由度， 但是兩個點的測量約束5個自由度，而不是6個自由度。此外注意，激光跟蹤儀和待測物體 上的傾角儀提供的兩個角度自由度不加入通過兩個回射器目標點的激光跟蹤儀測量獲得 的5個自由度，以獲得6個或7個自由度。這是因為通過傾角儀提供的兩個自由度與這樣 的基本組不對應：該基本組獨立于通過激光跟蹤儀測量的兩個目標點的基本組。換言之，單 個剛體的完全約束需要三個平移自由度（例如，x、y、z)和三個方位自由度（例如，俯仰、翻 滾和偏轉角）的約束。在上述情況下，對于關于重力矢量的旋轉（通常稱為偏轉角）沒有 約束。在本申請中，應當將術語"自由度"理解為表示獨立的自由度。
[0087] 應當理解，通過旋轉激光跟蹤儀的方位軸和天頂軸，激光跟蹤儀上的相機觀察到 的目標可處于遠離相機視場（F0V)的區域。例如，激光跟蹤儀上其中一個相機的F0V在方 位角方向上可以是30度。但是，跟蹤儀的方位軸可以旋轉360度，因此將相機的有效F0V 增加到360度。
[0088] 本發明的實施例允許經過測量系統的（例如，激光跟蹤儀、目標加工、SMR或其他 激光跟蹤儀目標、計算機系統、測量系統軟件以及可選擇地，連接到測量軟件的手持裝置或 者遠程控制）有限訓練的操作者可選擇地經由計算機（例如，通用計算機60)跟隨一組提 示和指令來設置激光跟蹤儀，可選擇地將要求的加工中的SMR放置在待測量部分，以及可 選擇地限定待測量的感興趣區域。然后測量系統可以自動測量目標點并產生結果。
[0089] 本發明的幫助操作者實現更簡單和更迅速的測量的實施例是這樣一種方法：激光 跟蹤儀將處于期望測量位置的光束瞄準物體，提示操作者將SMR放置在期望位置的方法。 例如，可以提示操作者將回射器目標放置在待測物體上的磁巢中。作為另一個示例，回射器 可能被放置在錯誤的位置，并且可以通過來自激光跟蹤儀的光束提示操作者將錯放的目標 移動到正確位置。提示例如可以通過將光束依次從包含錯放目標的第一位置移動到待放置 目標的第二位置做到這一點。
[0090] 通過來自激光跟蹤儀的光束給出的引導在設置階段期間也具有優點，在設置階段 中，當激光跟蹤儀測量目標位置的三維坐標時，操作者將SMR放置在指定位置。當CAD模型 上給出的名義尺寸與待測物體的實際尺寸不對應時，看到這種優點。如果在設置期間確定 了目標點準確的三維位置，就可以減少測量時間以及后面在處理中出現的測量誤差。
[0091] 通過光束的指示的操作者動作的引導可以幫助消除誤差。例如，軟件中對激光跟 蹤儀的測試方案可以指示操作者按照特定順序來測量點。這種測量的結果可以被保存并用 于獲得期望的關系一例如，兩個參考框架之間的關系、兩條線之間的長度或者兩個平面 之間的角度。如果操作者按照錯誤的順序測量了初始點或者測量了錯誤的點，則軟件將不 能得到期望的值，或者得到錯誤的答案。
[0092] 在上述情況下，引導操作者將回射器目標放置在固定位置，該位置例如可以是磁 巢或加工孔。但是，有另一種重要情況，其中操作者測量表面輪廓。可以測量這種表面輪廓， 例如以確定表面的平面度或者球的直徑，或者可以測量兩個表面，以確定表面之間的角度。 作為另一個示例，操作者可以測量被構造用于裝配汽車或飛機的工具的一部分。可將激光 跟蹤儀用于測量表面輪廓，以查看表面是否在設計容差內。如果不在，可以引導操作者按照 適當的方式修改工具--例如，有可能通過從一個區域磨損材料。在將SMR用于測量表面 輪廓的所有這些情況下，通過指出待掃描的區域，控制激光跟蹤儀的軟件可以通過操作者 極大地簡化和加速程序。通過使得激光跟蹤儀引導光束將操作者要掃描的區域劃界，可以 做到這一點。或者，可以跟蹤操作者在掃描過程中要跟隨的實際路徑。
[0093] 激光跟蹤儀也可以用于幫助復雜結構的裝配。例如，可能必須將多個組件附接于 飛機的座艙。在很多情況下，實現這一點的成本有效方式是瞄準光束，指令裝配者在適當位 置鉆孔或者進行其他操作。將組件附接之后，可以指令操作者掃描安裝件的輪廓，以確認正 確地進行了安裝。為了幫助這種測量，可以使用一個或多個相機來識別待裝配物體上的回 射器。這些回射器可用于將激光跟蹤儀移動到待裝配物體的參考框架，這樣就使得激光跟 蹤儀能夠利用來自跟蹤儀的光束，引導裝配者的行動。
[0094] 通過旋轉方位軸或天頂軸，激光跟蹤儀上的一個或多個相機具有測量大的有效 F0V中所有回射器目標的能力，如上所述。如果激光跟蹤儀可到達的唯一目標是那些待測 物體上的目標，則激光跟蹤儀可通過觀察回射器目標，自動確定待測量的空間區域。另一方 面，如果目標占據若干物體，并非所有物體都是當前測量所感興趣的，那么在某些情況下， 操作者必須指出待測量的區域。在一個實施例中，操作者可以通過利用回射器將感興趣的 區域劃界來指出待測量的區域。操作者可以例如通過進行回射器目標的四個連續移動以指 出區域的上、下、左、右范圍，來實現這一點。在另一個實施例中，操作者可以手動移動激光 跟蹤儀的載荷（或等同結構），以在感興趣的區域的上、下、左、右邊緣指示光束。可以指令 操作者通過控制激光跟蹤儀的軟件進行這些移動，或者，操作者可以給出姿態，以給出該信 息，而不需要通過計算機程序引導這樣做。這些姿態例如可包括在指定的時間間隔里，以預 定圖案移動回射器目標。作為另一個示例，操作者可通過抓取載荷并將來自激光跟蹤儀的 光束直接向下移動，表明將區域劃界的愿望。操作者可以通過移動載荷將期望的測量區域 的上、下、左、右邊緣劃界，來跟隨這種初始移動。在其他情況下，控制激光跟蹤儀的軟件可 以進行目標匹配程序，其中，軟件識別對應于CAD模型或者對應于目標的三維坐標列表的 回射器目標的集合。
[0095] 在上述討論中，強調了激光跟蹤儀使用光束幫助操作者進行測量的好處。下面考 慮完全自動進行測量的好處。一個潛在的好處是，因為可以進行完全自動測量的速度，所以 可將附加目標加入待測物體而不增加測試時間。通過在每個數據組中提供更多的點，軟件 可以以更少的潛在誤差、更快地確定待測物體的期望幾何特征。此外，在不需要用戶手動移 動SMR的情況下，通過測量點集，降低了測量階段期間物體移位的可能。這樣進而降低了測 量誤差的可能。
[0096] 完全自動測量的潛在優點是，可以優化進行測量的順序。在待測物體上有很多目 標位置的情況下，操作者可以根據點的相對接近度來測量目標位置，因為這是手動測量的 最快程序。另一方面，在完全自動程序中，可以產生最準確和最魯棒測量結果的順序來進行 測量。例如，數據線上的兩個點可以在大的待測物體的相對側。自動測試程序可以逐一測 量這些廣泛分布的數據點，從而避免漂移并得到最準確的測量結果。
[0097] 完全自動測量的另一個潛在優點是自動改裝的可能性。經常希望，周期性地測量 在產品制造中使用的工具的特性。這種周期性測量幫助確保工具不彎曲，目標不移動等等。 如果待測物體凸起，那么在周期性測量過程中，控制激光跟蹤儀的軟件會注意到這一點。軟 件會相應地調用自動改裝程序，其中重建凸起目標的新位置。此外，自動改裝程序可以減少 對剛性安裝（以將物體剛性夾持在工具上）的要求。更低的剛性要求使得對于構造和操作 非常準確、可重復使用的工具的更低的成本。
[0098]自動改裝的另一個示例是用于待測物體在裝配線上的情況。這種物體可能不是正 好在它已經完成電路并且已經返回激光跟蹤儀用于檢查之后的相同位置上。激光跟蹤儀可 以測量參考點，以重建激光跟蹤儀的參考框架與待測物體的參考框架的關系。
[0099] 上述自動測量可能形成的一種能力是期望精度值的設置（可以通過用戶），以驅 動指定操作以及設置閾值用于警告和警報。例如，為期望精度而設置的值可以驅動：（1)穩 定性檢查的頻率和容差；（2)自補償相對于全瞄準比較要求；（3)自補償的頻率和容差；(4) 每個測量點的測量樣本數量的閾值；（5)在補償檢查之前的環境溫度變化限度；(6)對于排 列和位置移動的可接受結果的容差；以及（7)漂移檢查的頻率和容差。
[0100] 或者，可以單獨設置這些值的每個值。可以基于不同的應用和操作條件來設置值 的矩陣，并且可將它們保存并作為測量輪廓取回。
[0101] 下面考慮設置程序包括通過操作者的合作而不是完全自動化的示例。對于期望的 測量位置，激光跟蹤儀10瞄準物體上期望的位置，以放置SMR。在第一實施例中，在將SMR 放置在光束中時，操作者將SMR夾持在手中，從而使得光束能夠鎖定SMR。將SMR放置在物 體上（例如，在磁巢上）之后，激光跟蹤儀測量三維坐標并將光束移動到下一個目標位置。 在第二實施例中，操作者將回射器就放在物體上，例如可以在磁巢上。如果光束沒有立即鎖 定回射器，操作者例如通過在回射器目標前面移動一只手，給出信號，從而導致目標在相機 的視野中閃光。跟蹤儀搜索SMR并迅速測量SMR位置。然后跟蹤儀前進到下一個名義點， 就目標放在物體上哪個地方指引操作者。第三實施例類似于第二實施例，除了如果沒有立 即發現目標，激光跟蹤儀不進行搜索之外。與之不同，當操作者在回射器目標前面移動一只 手時，激光跟蹤儀將光束引導到下一個目標位置。在初始設置過程中，例如通過將每次測量 時間限制為大約〇. 1秒，使得所有測量比較迅速是可以接受的。
[0102] 可將可能超過100個的大量回射器目標用于測量工具上的點。在某些情況下，操 作者可能希望一次只放一部分回射器（例如，一次25個回射器），以節省購買回射器的錢。 測量周期被定義為將可用的回射器目標（例如，25個目標）設置在工具上并通過激光跟蹤 儀進行測量的周期。
[0103] 如果SMR還沒有附接于待測物體，操作者或者以手動方式，或者利用激光跟蹤儀 10提供的指引，將SMR放在物體上。然后，跟蹤儀可以進行穩定性和參考系統檢查。可通過 測量一個或多個點來進行穩定性檢查。在實施例中，跟蹤儀連同體積中心最近的一個點一 起，在測量體積的最邊界測量兩個或更多個點。激光跟蹤儀10以更短或越來越長的持續時 間（更多樣本）自動得取一系列點，以確定樣本的最佳數量來獲得期望的精度（操作者在 系統中設置該數量）。用于逐點樣本的系統設置被設置為該值。系統將具有選擇以重新檢 查經過一定時間周期之后的穩定性、在每個周期的開始和/或結束時測量的點的數量。經 過第一次測量參考點（最小值為3)之后，在周期結束時可以重新測量它們以檢查移動，或 者在每個周期開始時可以重新測量它們，以將激光跟蹤儀重新定向到該部件，校正在移動 SMR時可能通過操作者引入的物體的任何移動。檢查可能的移動的更簡單和更迅速的方法 是將單個點放在物體上，將第二點放在其他地方；例如放在地板上。這些位置總是將SMR包 含其中，并且測量系統可以在整個測量階段周期性地檢查它們。一種方式是，除了每個周期 的開始和結束之外，在測量階段以特定的時間間隔進行檢查。最小限度的執行將在每個測 量階段的開始和結束時測量這些漂移點。
[0104] 測量系統逐個系統設置地自動測量所有要求的點。激光跟蹤儀的用戶光線可以在 測量每個點之后閃現LED圖案，就移動或失敗點警告操作者。如果點失敗，操作者可以通過 在跟蹤儀的F0V中的任何目標之前揮手，中止自動測量。相機系統將登記響應于閃光的光 源54產生的單個目標的閃光的中斷并且暫停測量。操作者可以將手保持在超差點之前，使 得它可以調節。然后激光跟蹤儀瞄準期望的點。數字式讀出指引操作者調節工具超差的部 分。在完成調節時，操作者可以給出另一個姿態（例如在SMR之前移動手），指令激光跟蹤 儀重新測量點，并繼續測量其余點。通過標記SMR或者在物理上移動系統的方位軸或天頂 軸，就可以執行全部的測量處理，因此操作者不需要使用遠程控制、鼠標或鍵盤。
[0105] 參照圖5和圖6,關于要通過激光跟蹤儀10測量的物體500,分別示出圖1或圖2 的激光跟蹤儀10沿第一方位和第二方位的立體圖，激光跟蹤儀10自動進行物體500上各 種目標點（例如SMR 26)的測量。物體500可以是任何類型的較大物體，例如架子，架子是 汽車裝配線的部件。但是，這只是示例性的；物體500可以是任何類型的加工或完成的產 品。如上所述，物體500具有多個目標點26,例如SMR 26,根據本發明的實施例，多個目標 點放置在物體500的各種位置上。SMR也可以放在通過物體500夾持的組件上。
[0106] 圖5A示出物體500上各種位置的多個SMR 26。此外示出激光跟蹤儀10將其激 光束46瞄準這多個SMR 26。此外，圓錐510表示當相機（多個相機）觀察一部分物體500 時激光跟蹤儀10的一個或多個相機52、58的視場。
[0107] 圖5B類似于圖5A，但是現在激光跟蹤儀10關于物體500轉變方向，此外在圖5A 中的特定位置的物體500上的某些SMR 26已經移動到圖5B中物體500上的其他位置。此 夕卜，相機（多個相機）52、58的視場的圓錐關于物體500處于不同的方位。這使得相機（多 個相機）52、58能夠捕捉物體500上其他的附加目標點26。通過兩種方式的任何一種都可 以實現目標向兩個不同位置的移動。在裝配線上，架子可以移動一個小量，以允許激光跟蹤 儀透視中的變化，如圖5和圖6所示。對于靜止工具，可以移動激光跟蹤儀，以實現有可能 從視野中隱藏的點的測量。
[0108] 由于被測物體500的尺寸以及所期望的精度，如果不解決的話，物體500的環境溫 度可以變為測量誤差的來源。例如，金屬結構在它們變熱時膨脹。此外，通常將物體的名義 值（例如CAD文件）設置為受控室處于20攝氏溫度或68華氏溫度范圍的溫度。如果被測 物體高于這個溫度，那么它將在實際上更大。如果知道部件材料和溫度，通過向測量工作應 用縮放系數并將測量數據調回設計溫度來調節此差異，或者通過測量參考點并在變換工作 時應用縮放系數來調節此差異是常例。
[0109] 在自動測量階段（其中使用并測量參考點26)，操作者可以通過軟件中的設置指 示，在變換工作時總是應用縮放系數。這種實例的問題在于，如果物體的幾何改變、彎曲等 等，則自動縮放方法可通過改變工作的標度來減少這種誤差。第二方法可以使用放置在物 體上的材料傳感器，并讓操作者輸入膨脹系數或材料類型，系統基于這些輸入，就可以確定 標度。但是，自動系統可以操作的優選方法是，比較這兩種方法，如果任意變化超過期望的 系統精度，就警告操作者。操作者可以在物體上放置一個或多個材料傳感器。系統經由內 部跟蹤儀傳感器或者外部傳感器，可以檢查環境溫度。如果差異大到足以使得部件在測量 階段期間膨脹或者收縮，則系統警告操作者，以允許物體浸泡在環境中，并延遲測量，直到 物體溫度穩定。測量工作可包括材料類型和/或材料的膨脹系數。系統測量物體上的參考 點，并將它們的值與名義值或期望值進行比較。
[0110] 在變換處理期間，系統基于測量向名義的變換計算縮放系數，并基于材料類型和 材料溫度傳感器計算標度。如果在兩種標度計算之間有不可接受的差異，則操作者被警告， 并且測量階段停止。這種差異可以指示出現了以下情況的其中之一，并且系統不能按照期 望的那樣測量工作；（1)材料溫度傳感器（多個傳感器）和/或空氣溫度傳感器（多個傳 感器）可能有缺陷并產生錯誤的值；（2)或者更一般的原因可以是，物體幾何形變到參考點 26不再處于物體上的設計位置的程度。當自動縮放趨于隱藏這些誤差并在整個工作中引入 不確定性或誤差時，這樣比較難以在當前的測量階段檢測。如果參考點有誤差，傳統的整個 工作將稍微地離開名義移位，并且這使得一些點不正確地失敗。如果需要最高精度，那么在 測量階段期間，可以通過系統進行附加檢查，以將部件的膨脹或收縮最小化。
[0111] 相對而言，大多數自動系統可以使用激光跟蹤儀10上的立體相機52來確定深度 和位置，以估計SMR 26的位置。在實施例中，操作者將SMR26放在物體500上并手動將它 們瞄準激光跟蹤儀10的方向。操作者按照軟件所提示的，通過手動將跟蹤儀10的方位軸 和天頂軸移動到測量體積的相對極端點，來指示期望的測量體積。軟件提示操作者將跟蹤 儀頭部和激光束46移動到最右邊的點；然后操作者移動跟蹤儀頭部。當移動穩定特定的時 間量（例如2秒）之后，系統記錄位置。軟件提示用戶將跟蹤儀頭部移動到期望體積的最 左邊、最上邊和最下邊。
[0112] 如果指示的體積超過跟蹤儀10上相機系統52的最寬視場的范圍，則跟蹤儀執行 整個體積的編程掃視/環視，找尋SMR 26或目標。如果需要的話，這種編程掃視/環視將 在整個測量階段重復，以監測SMR的狀態或者找尋給系統的用戶輸入。利用立體相機52， 激光跟蹤儀10估計測量體積中每個點的XYZ位置。測量系統軟件對于跟蹤儀與點集之間 的變換計算第一近似。然后跟蹤儀瞄準期望的點。如果有任何點從測量設備看不見，跟蹤 儀10就通過跟蹤儀前面的LED(未示出）閃現誤差，然后瞄準目標26錯過、誤瞄或者被其 他物體混淆的位置。跟蹤儀可以在固定的圖案中移動，以使得位置對于操作者而言更加可 見。一旦該點被校正，操作者就可以標記SMR 26,并且系統將知道測量位置并繼續進行處 理。同樣是自動地，跟蹤儀10瞄準并使用相機系統52或者傳統的搜索系統來鎖定和測量 每個目標26。
[0113] 如上所述，在將光束指向目標位置時，在圖案中移動光束而不是以固定角度瞄準 它有時候可能是好的想法。例如，考慮磁巢位置脫離待測物體頂部的情況。在這種情況下， 直接指向目標位置（即，當放置在磁巢中時回射器目標的中心）的光束可以被操作者看見， 因為它可以在其路徑上不撞擊任何東西的情況下通過物體。通過在圖案中移動光束，可以 使得SMR的期望位置被看見。
[0114] 如果激光跟蹤儀10配置一個或多個寬視場（WF0V)相機以及一個或多個窄視場 (NF0V)相機，則系統可以通過WF0V相機確定SMR 26的一般位置并瞄準點26。如果激光束 46不碰撞目標26的中心，接近到足以使得跟蹤系統鎖定目標，就可以執行一個或多個以下 處理。（1)跟蹤儀可以根據WF0V相機再評估位置，并再次瞄準靜止點。（2)跟蹤儀可以切 換為NF0V相機并重新計算目標的光學中心以及瞄準這個計算的中心并嘗試通過跟蹤系統 獲取目標。（3)如果跟蹤儀裝備有NF0V相機上的光學縮放功能，并且NF0V相機不能在從 WF0V相機改變之后看見目標（WF0V位置計算導致跟蹤儀瞄準具有足以使得NF0V相機（不 能看見SMR的誤差的位置），NF0V相機可以縮小目標可見的點，然后計算光學中心并正確地 瞄準跟蹤儀。
[0115] 可以重復這些處理的任意個直到重新獲取目標，優點是，與使用激光束和位置傳 感器的傳統瞄準和搜索方法相比，使用WF0V相機與NF0V相機的組合（這里稱為相機系統） 可以更快。
[0116] 在本發明的其他實施例中，另一種測量程序可以是在軟件的指引下，將測量結果 與允許容差進行比較。激光跟蹤儀10可將工具上的目標點之間的名義（CAD模型）尺寸與 通過激光跟蹤儀測量的尺寸進行比較。如果名義尺寸與測量尺寸之間的誤差超過容差值， 跟蹤儀可以采取動作。該動作可以如同重新測量點或者用更長的時間測量點一樣簡單。跟 蹤儀也可以進行雙面測量，確保沒有跟蹤儀精度的問題。在替代方案中，通過跟蹤儀采取的 動作可以是向操作者發送誤差消息、發出嘟嘟聲、閃光、甚至關閉生產線直到操作者檢查穩 定性、進行調節或者例如，替換有缺陷的目標。
[0117] 雙面測試的實施例如在Cramer等的美國專利No. 7, 327, 446 ( '446)中所述，這里 通過參考將其全部內容合并于此。跟蹤儀10進行一個或多個目標點26的雙面測量。如果 獲得的雙面誤差超過指定值（例如，如同制造商的數據頁給出的），則下一個步驟可能是跟 蹤儀進行補償程序，以提高跟蹤儀性能。有兩種類型的最常見地執行的補償程序（雖然其 他程序也可以）。這兩種程序是'446專利中所述的自補償程序和指向補償程序。指向補償 程序包括通過指向目標，進行多次雙面測量，目標可以安裝在地板上、基座上或者物體上。 在收集來自指向補償的數據之后，跟蹤儀自動校正其內部參數，從而提高其測量精度。
[0118] 另一種測量程序可以是檢查測量隨時間的穩定性。例如，跟蹤儀可以測量地板上 的目標點和工具上的另一個目標點。如果這兩個目標點的相對位置隨著測量的過程而改 變，則跟蹤儀可以向操作者發出警報。類似地，跟蹤儀可以測量工具上三個點之間的距離， 然后在測量結束時返回，并重新測量這三個點。如果這些點的相對位置改變，則整個測量的 有效性受到懷疑，可能需要附加的測量。
[0119] 雖然討論主要是處理將一個或多個相機置于激光跟蹤儀的載荷上的情況，但是本 領域技術人員應當理解，也可將這些相機設置在激光跟蹤儀內部（例如，與激光跟蹤儀的 光軸同軸）、設置在激光跟蹤儀10的方位架14上、或者完全脫離激光跟蹤儀。
[0120] 圖6是示出維度測量電子處理系統1500的方框圖，系統1500包括激光跟蹤儀電 子處理系統1510、周圍元件1582、1584、1586、計算機1590以及其他網絡組件1600，這里 用云表示。示例性激光跟蹤儀電子處理系統1510包括主處理器1520、載荷功能電子裝置 1530、方位編碼器電子裝置1540、天頂編碼器電子裝置1550、顯示器和用戶界面（UI)電子 裝置1560、移動存儲硬件1565、射頻識別（RFID)電子裝置以及天線1572。載荷功能電子 1530包括多個子功能，多個子功能包括6D0F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以及等級電子裝置1535。大多數子功能有至少 一個處理器單元，例如可以是數字信號處理器（DSP)或者現場可編程門陣列（FPGA)。電子 單元1530、1540和1550因為它們在激光跟蹤儀中的位置而分離，如圖所示。在實施例中，載 荷功能1530位于載荷中，而方位編碼器電子裝置位于方位裝配中，且天頂編碼器電子1550 位于天頂裝配中。
[0121] 很多類型的外設都是可以的，但是這里示出這樣三種裝置：溫度傳感器1582、 6D0F探針1584以及個人數字助理1586 (例如智能電話）。激光跟蹤儀可以通過各種手段 與外設通信，包括經由天線1572,通過視覺系統（例如相機）以及通過激光跟蹤儀的距離和 角度讀數，與合作目標（例如6D0F探針1584)的無線通信。
[0122] 在實施例中，獨立的通信總線從主處理器1520延伸到每個電子單元1530、1540、 1550、1560、1565和1570。每個通信線路例如可具有三個串行線路，包括數據線路、時鐘線 路以及幀線路。幀線路指示電子單元是否應當注意時鐘線路。如果它指示應當給予注意， 則電子單元在每個時鐘信號處讀取數據線路的當前值。時鐘信號例如可以對應于時鐘脈沖 的上升沿。在實施例中，信息在數據線路上以數據分組的形式傳輸。在實施例中，每個數據 分組包括地址、數字值、數據消息以及校驗和。地址指示在電子單元中，將數據消息引導到 哪里。位置例如可以對應于電子單元中的處理器子程序。數字值指示數據消息的長度。數 據消息包含電子單元要執行的數據或指令。校驗和是用于將經由通信線路傳輸的誤差的可 能性最小化的數字值。
[0123] 在實施例中，主處理器1520將信息的分組通過總線1610發送給載荷功能電子裝 置1530,通過總線1611發送給方位編碼器電子裝置1540,通過總線1612發送給天頂編碼 器電子裝置1550,通過總線1613發送給顯示器和Π 電子裝置1560,通過總線1614發送給 移動存儲硬件1565,以及通過總線1616發送給RFID和無線電子裝置1570。
[0124] 在實施例中，主處理器1520還將synch (同步）脈沖通過同步總線1630同時發送 給每個電子單元。同步脈沖提供一種將通過激光跟蹤儀的測量功能收集的值同步的方式。 例如，方位編碼器電子裝置1540和天頂編碼器電子1550裝置一收到同步脈沖就鎖存它們 的編碼器值。類似地，載荷功能電子裝置1530鎖存載荷中包含的電子裝置所收集的數據。 當給予同步脈沖時，6D0F、ADM以及位置檢測器都鎖存數據。在大多數情況下，相機和傾角 儀以相比同步脈沖速率更慢的速率收集數據，但是可以以多個同步脈沖周期鎖存數據。
[0125] 激光跟蹤儀電子處理系統1510可以與外部計算機1590通信，或者它可以在激光 跟蹤儀中提供計算、顯示以及Π 功能。激光跟蹤儀經由通信鏈路1606與計算機1590通信， 通信鏈路1606例如可以是以太網線路或無線連接。激光跟蹤儀還可以經由通信鏈路1602 與通過云表不的其他兀件1600通信，通信鏈路1602可包括一個或多個電纜，例如以太網電 纜，以及一個或多個無線連接。元件1600的示例是另一個三維測試儀器--例如，可通過 激光跟蹤儀重置的鉸接臂CMM。計算機1590與元件1600之間的通信鏈接1604可以是有線 的（例如以太網），也可以是無線的。位于遠程計算機1590的操作者可以通過以太網或無 線線路與通過云1600表示的互聯網的連接，進而通過以太網或無線線路連接到主處理器 1520。通過這種方式，用戶可以控制遠程激光跟蹤儀的動作。
[0126] 圖7是示出用于通過系統進行測量的實施例中步驟700的流程圖。步驟705是提 供包括回射器目標的集合以及激光跟蹤儀的系統。回射器目標的集合包括至少三個回射器 目標，即第一目標、第二目標和第三目標，這些目標不排列在一條直線上。激光跟蹤儀處于 第一參考框架中，在圖1、圖5和圖6中將第一參考框架示出為參考框架30。在實施例中， 激光跟蹤儀的參考框架的原點是激光跟蹤儀的萬向點22。第一參考框架的X、y和z軸關 于跟蹤儀的環境固定，但是通常參考跟蹤儀特征（例如旋轉方向）。激光跟蹤儀包括結構、 第一光源、絕對距離計量儀、第一角度變換器、第二角度變換器、跟蹤系統、第一相機、第二 光源和處理器。結構關于第一軸和第二軸可旋轉。在實施例中，第一軸是方位軸，而第二 軸是天頂軸。在實施例中，結構是支持光學組件的載荷。在另一個實施例中，結構是偏轉光 線、以在期望的方向上將光線送出激光跟蹤儀的鏡子。產生第一光束的第一光源可以是激 光器、超級發光二極管或者其他類型的光源。絕對距離計量儀與第一光源合作，測量絕對距 離。來自第一光源的光線可用于測量光線以光速通過空氣傳向回射器目標并返回跟蹤儀所 花的時間。測量飛行時間的方法可包括相位測量方法、脈沖飛行時間方法或者任何其他類 型的絕對距離測量方法。在實施例中，第一角度變換器和第二角度變換器可以是測量方位 角和天頂角的角度編碼器。跟蹤系統用于將第一光束保持為以回射器目標為中心。回射器 的位置是光束反射所相關的位置。例如，在立方隅角回射器中，光線關于立方隅角的頂點對 稱地反射，立方隅角的頂點是三個相互垂直的表面相交所相關的點。在很多情況下，光線對 稱地反射所在的點是在球中心。例如，在球面安裝的回射器類型中，將露天立方隅角的頂點 放置在鋼球的中心。在這種情況下，激光跟蹤儀的跟蹤系統保持第一光束以回射器目標的 中心為中心。但是，回射器目標不必在球中心。更好的是，可將回射器直接附接于待測物體， 而不是將其放置在球中。在這種情況下，術語"中心"是要表示第一光束對稱地反射所相關 的回射器的點，即使它不表示任何物體的中心。激光跟蹤儀的跟蹤系統可以保持一部分反 射光線以激光跟蹤儀中的位置檢測器為中心，位置檢測器例如是位置靈敏檢測器或者感光 陣列。激光跟蹤儀包括第一相機，在實施例中第一相機安裝在跟蹤儀的載荷的外表面，載荷 能夠關于第一軸和第二軸旋轉。在其他實施例中，第一相機可以設置在激光跟蹤儀內部，并 且可以觀察激光跟蹤儀外部的場景，場景以激光跟蹤儀的光軸為中心。在其他實施例中，第 一相機可以設置相關于激光跟蹤儀上面或內部的其他位置。第一相機包括第一透鏡和第一 感光陣列。第一透鏡在第一感光陣列上產生激光跟蹤儀外部的物體的圖像。第二光源發射 第二光束，在大多數情況下第二光源最接近第一相機。該光線傳向回射器目標，回射器目標 是回射器目標的集合的一部分。一部分第二光束反射離開回射器并返回第一相機，第一相 機在第一感光陣列上對反射光線成像。處理器可以設置在激光跟蹤儀中、伙伴電子單元50 中、外部單元60中，或者在位置的組合中。處理器可包括處理元件的組合，處理元件包括微 處理器、數字處理單元、現場可編程門陣列和存儲器。處理器被配置為操作激光跟蹤儀。
[0127] 步驟710是存儲用于第一目標、第二目標、第三目標以及至少一個附加點的名義 坐標的列表。名義坐標是在第二參考框架中給出的三維坐標。第二參考框架與待測物體相 關聯，或者與待測物體所附接的結構相關聯。第二參考框架40的示例在圖1、圖5和圖6中 示出。通常，第二參考框架的X、y和z軸可關于第一參考框架的X、y和z軸旋轉。
[0128] 步驟715是在第一感光陣列上捕捉通過第二光束發射并反射離開第一目標、第二 目標和第三目標的一部分光線。
[0129] 步驟720是根據反射離開第一目標、第二目標和第三目標的一部分光線，在感光 陣列上獲得光點位置。光點位置例如可以是用于第一目標、第二目標和第三目標的光點的 形心。
[0130] 步驟725是分別確定第一感光陣列上的第一光點位置、第二光點位置和第三光點 位置與第一目標、第二目標和第三目標的名義坐標的對應關系。這種對應關系可通過各種 方式來獲得，例如根據所附權利要求中所述的方法。一種這樣的方法包括通過第一參考框 架觀察第二參考框架的方位的允許范圍中的可能對應。另一種方法涉及通過激光跟蹤儀上 設置的兩個（立體）相機，使用三角測量方法。另一種方法涉及使用單個跟蹤儀相機，但是 將跟蹤儀旋轉到兩個不同的方位。通過這種方法，將在相機的感光陣列上獲得的兩個圖像 用于確定對應關系。也可以通過處于前準星和后準星模式下的第一相機進行測量，并將第 一感光陣列上獲得的圖像用于確定對應關系。可以改變第一參考框架和第二參考框架的相 對位置，并將第一感光陣列上得到的光點的圖案用于確定對應關系。例如，第二參考框架可 以與移動架相關聯，如圖5和圖6所示，因此第一相機可以獲得兩個不同的圖像，就像在第 一參考框架和第二參考框架的不同相對位置。在實施例中，可以采取用來確定感光陣列上 的第一、第二和第三光點與第一目標、第二目標和第三目標的名義坐標之間的對應的一般 數學方法涉及構造變換矩陣，將坐標從參考框架2變換到參考框架1或者相反，如同上文以 及所附的權利要求所述。對于通過感光陣列獲得的圖像，可將陣列上的點從感光陣列上的 位置通過透鏡的透視中心投射到目標空間。通過這種方式，可將第一感光陣列上的光點轉 換為角度。如果第二感光陣列可用，利用第一感光陣列與第二感光陣列之間的已知距離，通 過本領域技術人員公知的方法，可以使用三角測量程序來確定三個目標中的每個目標的位 置。如果只有單個相機可用，通過獲得前準星和后準星圖像，仍然可以應用三角測量方法， 因為在從前準星轉變為后準星模式時，相機的位置被翻轉到跟蹤儀光軸的相對側。前準星 和后準星模式中相機位置之間的距離已知，因此該程序等同于立體三角測量程序。類似地， 僅僅將跟蹤儀結構旋轉到兩個不同的角度（關于第一軸、第二軸或者兩者），可以獲得兩個 不同的視圖，并且可以使用類似于三角測量程序的方法，如上所述以及'033中所述。其中 已知第一參考框架與第二參考框架之間的近似相對方位的約束方法一般不允許用于第一 目標、第二目標和第三目標的每個三維坐標的直接解決方案，但是在大多數情況下，它使得 能夠將位置局部化，好到足以畫出三個光點與第一目標、第二目標和第三目標的名義坐標 之間的對應關系。
[0131] 步驟730是至少部分地基于第一光點位置和第一目標的名義坐標將第一光束引 導到第一目標，以及利用絕對距離計量儀、第一角度變換器和第二角度變換器測量第一目 標的三維坐標。如步驟720所述，獲得對應關系的某些方法提供關于第一參考框架的三維 坐標，因此將激光束引導到第一目標、第二目標和第三目標是簡單直接的。在方向是基于第 一參考框架與第二參考框架之間的約束的情況下，不一定高精度地了解到第一目標、第二 目標和第三目標的最佳方向；但是，通過假定到目標的距離可以獲得方向。得到的方向通常 充分接近能夠捕捉目標的最佳方向，例如通過所附權利要求所述的方法。測量的三維坐標 是在第一參考框架中，第一參考框架是激光跟蹤儀的參考框架。
[0132] 步驟735與步驟730相同，僅應用于第二目標而不是第一目標。步驟740與步驟 735相同，僅應用于第三目標而不是第一目標。
[0133] 步驟745是至少部分地基于測量的第一目標、第二目標和第三目標的三維坐標以 及至少一個附加點的名義坐標，確定第一參考框架中至少一個附加點的三維坐標。這是一 個數學步驟，例如可以通過獲得變換矩陣來執行，變換矩陣實現將任何名義坐標計算為第 一參考框架（跟蹤儀）中的三維坐標。利用本領域技術人員公知的方法，步驟725、730和 735中獲得的三維坐標足以確定變換矩陣。
[0134] 步驟750是存儲至少一個附加點的三維坐標。坐標例如可以存儲在電子可讀媒體 中、計算機存儲器中或者微處理器中。步驟755是具有步驟700的方法的終止。
[0135] 圖8是示出用于通過系統進行測量的實施例中的步驟800的流程圖。步驟800跟 隨在圖7中標記為755的點A。步驟805是將光束引導到至少一個附加點。激光跟蹤儀可 以自動執行該步驟。
[0136] 步驟810是放置選擇的回射器目標，攔截第一光束。實現這一點的一種方式是操 作者將手持的選擇的回射器目標移動到第一光束。實現這一點的第二方式是將選擇的回射 器目標放在待測物體上安裝的巢上，例如磁巢。如果足夠準確地知道至少一個附加點的三 維坐標，就可以引導第一激光束，好到足以通過選擇的回射器目標的清晰孔捕捉至少一部 分光束。
[0137] 步驟815是將第一光束引導到選擇的回射器目標的中心。該步驟通過激光跟蹤儀 的跟蹤系統進行。步驟820是利用絕對距離計量儀、第一角度變換器和第二角度變換器測 量選擇的回射器目標的三維坐標。方法800在步驟825終止。
[0138] 圖9是示出用于通過系統測量的實施例中的步驟900的流程圖。步驟900跟隨在 圖7中標記為755的點A。步驟905是將光束引導到至少一個附加點。
[0139] 步驟910是將第一光束移動到空間中的第一圖案，第一圖案最接近至少一個附加 點。這種第一圖案通常稱為搜索圖案。作為示例，光束可以始于初始位置，然后以螺旋圖案 向外移動。
[0140] 步驟915是通過激光跟蹤儀的跟蹤系統檢測光束。當反射離開回射器的第一光束 撞擊位置檢測器時可以出現這種情況。通過位置檢測器對光線的這種檢測指示，第一光束 已經攔截了回射器目標的清晰孔。
[0141] 步驟920是將第一光束引導到選擇的回射器目標的中心。如上所述，這種背景下 的中心表示相對于光束對稱地反射所相關的回射器目標的位置。這種背景下術語"中心"不 一定表不回射器目標的實體中心。
[0142] 步驟925是利用絕對距離計量儀、第一角度變換器和第二角度變換器測量選擇的 回射器目標的三維坐標。方法900在步驟930終止。
[0143] 圖10是示出用于通過系統進行測量的實施例中的步驟1000的流程圖。步驟1000 跟隨在圖7中標記為755的點A。步驟1005是提供第三相機和第四光源，第三相機包括第 三透鏡系統和第三感光陣列，第三相機的視場小于第一相機的視場，第四光源提供第四光 束。
[0144] 步驟1010是在第三感光陣列上捕捉通過第四光源發射并反射離開第一目標、第 二目標和第三目標的一部分光線。通過第一相機已經獲得第一目標、第二目標和第三目標 的圖像。下面利用第三相機收集附加測量結果。在某些情況下，從第一相機獲得的信息可 用于操縱激光跟蹤儀到使得第二相機能夠看到第一目標、第二目標或第三目標的位置。
[0145] 步驟1015是根據反射離開第一目標、第二目標和第三目標的每個目標的一部分 光線，獲得感光陣列上的光點位置。可以獲得這種光點位置，例如作為每個光點的形心。
[0146] 步驟1020是分別確定第三感光陣列上的第一光點位置、第二光點位置和第三光 點位置與第一目標、第二目標和第三目標的名義坐標之間的對應關系。確定對應關系的方 法與上述方法相同，但是通過視場比第一相機窄的第三相機提供相對更準確的信息。方法 1000在步驟1025終止。
[0147] 圖11是示出用于通過系統測量的實施例中的步驟1100的流程圖。步驟1100跟 隨在圖7中標記為755的點A。步驟1105是將第一光束引導到多個附加點，多個附加點包 括第一附加點，多個附加點指示操作者要采取的動作。通過這種方式，激光跟蹤儀能夠引導 操作者的動作。
[0148] 圖12是示出用于通過系統進行測量的實施例中的步驟1200的流程圖。步驟1200 跟隨在圖8中標記為825的點B。步驟1205是根據檢查方案進行測量。典型的檢查方案可 包括要測量的各種點。某些點可以在物體表面上，而其他點可以在巢中。某些點可以分離 地測量，而其他點在指定表面上的掃描圖案中測量。
[0149] 圖13是示出用于通過系統進行測量的實施例中的步驟1300的流程圖。步驟1300 跟隨在圖7中標記為755的點A。步驟1305是將第一光束引導到至少一個附加點。步驟 1310是在第一光束的位置進行裝配操作。裝配操作可包括鉆螺孔、打磨、上灰泥、碾磨或者 意圖修改物體或加入物體的任何其他操作。例如，第一光束可指示物體上要鉆孔的位置。
[0150] 圖14是示出用于通過系統進行測量的實施例中的步驟1400的流程圖。步驟1400 跟隨在圖8中標記為825的點B。步驟1405是提供檢查方案，通過激光跟蹤儀測量檢查點。 步驟1410是將至少一個回射器目標附接于待測物體。這種回射器目標在效果上充當漂移 樁（drift monument)，實現系統的穩定性檢查。步驟1415是向附接于待測物體的至少一個 回射器目標的三維坐標提供最大允許移動。最大允許移動是用戶基于要求的穩定性提供的 數字值。步驟1020是測量附接于待測物體的至少一個回射器目標的三維坐標，測量在第一 時間以及在第二時間進行。步驟1025是確定從第一時間到第二時間、至少一個回射器目標 的三維坐標中的第一變化。在高度穩定的系統中，這些坐標改變一個小量。如果待測物體 或者激光跟蹤儀被撞擊，則測量結果突然改變，從而引入誤差。類似地，如果環境溫度顯著 改變，則物體的尺寸會改變，跟蹤儀的性能會下降，或者第一光束通過其傳播的空氣的性質 會改變。這些改變中的任意改變都會降低測量的精度。步驟1030是在第一變化超過最大 允許移動時采取動作。動作可包括測量待測物體上至少三個回射器，以重建檢查點的三維 坐標。也可包括通知操作者，第一變化已經超過最大允許移動。這樣可以提示操作者，重新 補償激光跟蹤儀、檢查待測物體和激光跟蹤儀的穩定性或者采取其他步驟。方法1400在步 驟1435終止。
[0151] 圖15是示出用于通過系統測量的實施例中的步驟1700的流程圖。步驟1700跟 隨在圖7中標記為755的點A。步驟1705是提供最大允許偏差。這是用戶提供的值。步驟 1710是提供待測物體的熱膨脹系數（CTE)以及參考溫度。作為示例，如果材料是鋼，可以提 供11. 5微米/米/°C的CTE。參考溫度可以是20°C的常用值。步驟1715是將第一參考回 射器和第二參考回射器放在待測物體上，在參考溫度時，第一參考回射器與第二參考回射 器之間有第一距離。步驟1720是測量待測物體的溫度。步驟1725是通過從待測物體的測 量溫度減去參考溫度，計算第一溫度差。步驟1730是通過將第一溫度差乘以熱膨脹系數， 計算縮放系數。這樣給出的值單位例如是微米/米。換言之，縮放因子是無量綱量。步驟 1735是利用絕對距離計量儀、第一角度變換器和第二角度變換器測量第一參考回射器和第 二參考回射器的3D坐標。步驟1740是計算從測量的第一參考回射器的3D坐標延伸到測 量的第二參考回射器的3D坐標的第二距離。步驟1745是通過從第二距離減去第一距離， 計算第三距離。步驟1750是通過將第一距離乘以縮放系數，計算第四距離。步驟1755是 通過從第四距尚減去第二距尚，計算偏差值。步驟1760是當偏差值超過最大允許偏差時米 取動作，動作是發出警報，或者測量回射器目標的集合中至少一些回射器目標的坐標，以及 根據這些數據，為物體重建參考框架。步驟1700的目的是檢查熱長度補償的一致性，以直 接測量長度差。如果長度變化不匹配，就有可能溫度測量無效、CTE值沒有正確給出或者有 一些其他問題。通過這種問題識別，可以采取附加步驟。
[0152] 如同本領域技術人員所理解的，可將本發明的方案具體實施為系統、方法或計算 機程序產品。因此，本發明的方案可以采取完全硬件實施例、完全軟件實施例（包括固件、 駐留軟件、微代碼等等）或者將軟件和硬件方案組合的實施例的形式，這里可以將它們全 部一般性地稱為"電路"、"模塊"或"系統"。此外，本發明的方案可以采取在一個或多個計 算機可讀介質中具體實施的計算機程序的形式，計算機可讀程序代碼在計算機可讀介質上 具體實施。
[0153] 可以利用一個或多個計算機可讀介質的任意組合。計算機可讀介質可以是計算機 可讀信號介質或計算機可讀存儲介質。計算機可讀存儲介質例如可以是電子、磁、光、電磁、 紅外或半導體系統、設備或裝置或者前述的任意合適組合，但是不限于此。計算機可讀介質 的更多具體示例（非窮舉列表）可包括以下：有一個或多個電線的電連接、便攜式計算機磁 盤、硬盤、隨機存取存儲器（RAM)、只讀存儲器（ROM)、可擦除可編程只讀存儲器（EPROM或閃 存）、光纖、便攜式壓縮盤只讀存儲器（CD-ROM)、光存儲裝置、磁存儲裝置或者前述的任意 合適組合。在本文獻的背景下，計算機可讀存儲介質可以是任何有形介質，可以包含或存儲 通過指令執行系統、設備或裝置使用的程序或者與指令執行系統、設備或裝置有關的程序。
[0154] 可以利用一個或多個計算機可讀介質的任意組合。計算機可讀介質可以是計算機 可讀信號介質或計算機可讀存儲介質。計算機可讀存儲介質例如可以是電子、磁、光、電磁、 紅外或半導體系統、設備或裝置或者前述的任意合適組合，但是不限于此。計算機可讀介質 的更多具體示例（非窮舉列表）可包括以下：有一個或多個電線的電連接、便攜式計算機磁 盤、硬盤、隨機存取存儲器（RAM)、只讀存儲器（ROM)、可擦除可編程只讀存儲器（EPROM或閃 存）、光纖、便攜式壓縮盤只讀存儲器（CD-ROM)、光存儲裝置、磁存儲裝置或者前述的任意 合適組合。在本文獻的背景下，計算機可讀存儲介質可以是任何有形介質，可以包含或存儲 通過指令執行系統、設備或裝置使用的程序或者與指令執行系統、設備或裝置有關的程序。
[0155] 計算機可讀信號介質可包括例如在基帶中或者作為載波的一部分傳播的數據信 號，其中具體實施計算機可讀程序代碼。這種傳播的信號可以采取多種形式的任何一種，包 括但不限于電磁、光或者它們的任何合適組合。計算機可讀信號介質可以是并非計算機可 讀存儲介質、并且可以傳遞、傳播或傳輸通過指令執行系統、設備或裝置使用的程序或者與 指令執行系統、設備或裝置有關的程序的任何計算機可讀介質。
[0156] 在計算機可讀介質上具體實施的程序代碼可以利用任何適當的介質來傳輸，包括 但不限于無線、有線、光纖電纜、RF等等，或者前述的任意合適組合。
[0157] 用于執行本發明的方案的操作的計算機程序代碼可以通過一種或多種編程語言 的任意組合來編寫，包括面向對象的編程語言（例如Java、Smalltalk、C++、C#等等）和傳 統的程序式編程語言（例如"C"編程語言或者類似的編程語言）。程序代碼可以完全在用 戶計算機上執行，可以作為單機軟件包部分地在用戶計算機上執行，可以部分地在用戶計 算機上并且部分地在遠程計算機上執行，或者完全在遠程計算機或服務器上執行。在后一 種情況下，遠程計算機可以通過任何類型的網絡連接到用戶計算機，包括局域網（LAN)或 廣域網（WAN)，或者可以進行與外部計算機的連接（例如，通過使用互聯網服務供應商的互 聯網）。本發明的方案參照根據本發明實施例的方法、設備（系統）和計算機程序產品的流 程圖說明和/或方框圖來描述。應當理解，流程圖說明和/或方框圖的每個方框以及流程 圖說明和/或方框圖中方框的組合可以通過計算機程序指令實現。
[0158] 這些計算機程序指令可以提供給通用計算機、專用計算機或者其他可編程數據處 理設備的處理器，以產生機器，使得經由計算機或者其他可編程數據處理設備的處理器執 行的指令能夠產生用于實現流程圖和/或方框圖或方框中指定的功能/動作的方法。這些 計算機程序指令也可以存儲在計算機可讀介質中，計算機可讀介質可以引導計算機、其他 可編程數據處理設備或者其他裝置以特定方式運行，因此計算機可讀介質中存儲的指令產 生制造的條款，包括實現流程圖和/或方框圖或方框中指定的功能/動作的指令。
[0159] 計算機程序指令也可以載入計算機、其他可編程數據處理設備或者其他裝置，導 致在計算機上執行一系列操作性步驟，導致其他可編程設備或其他裝置產生計算機實現的 處理，因此在計算機或其他可編程設備上執行的指令提供處理，以實現流程圖和/或方框 圖或方框中指定的功能/動作。
[0160] 附圖中的任何流程圖和方框圖示出根據本發明各種實施例的系統、方法和計算機 程序產品的構造、功能以及可能的實施方式的操作。就此而言，流程圖或方框圖中的每個方 框可以表示模塊、片段或代碼的一部分，包括用于實現指定的邏輯功能（多個功能）的一個 或多個可執行指令。應當理解，在一些替代性實施方式中，方框中注明的功能可以脫離附圖 中注明的順序而發生。例如，連續示出的兩個方框實際上可以基本上同時執行，或者，有時 候方框可以按照相反的順序執行，這取決于涉及的功能。此外應當注意，方框圖和/或流程 圖說明的每個方框以及方框圖和/或流程圖說明中方框的組合可以通過基于專用硬件的 系統或者專用硬件與計算機指令的組合來實現，基于專用硬件的系統執行指定的功能或動 作。
[0161] 雖然已經示出并描述優選實施例，但是在不脫離本發明精神和范圍的情況下可以 對其進行各種修改和替代。因此，應當理解，通過說明而非限制的方式描述了本發明。
[0162] 因此，當前公開的實施例在任何方面都應視作說明性而非限制性的，本發明的范 圍由后附權利要求書而非前面的描述指出，并且因此，落入權利要求書的等同物含義和范 圍的所有變化都將被涵蓋其中。
[0163] 根據上述描述可知，本發明的實施例公開了但不限于下列的技術方案：
[0164] 方案1. 一種用于通過系統進行測量的方法，所述方法（700)包括步驟：
[0165] 提供包括回射器目標（26,27,28)的集合以及激光跟蹤儀（10)的系統（705)，所述 回射器目標的集合包括至少三個非共線回射器目標（27)，所述至少三個非共線回射器目標 包括第一目標、第二目標和第三目標，第一參考框架（30)中的所述激光跟蹤儀關于跟蹤儀 環境固定，所述激光跟蹤儀具有結構（15)、第一光源、絕對距離計量儀（1533)、第一角度變 換器（1540)、第二角度變換器（1550)、跟蹤系統（1534)、第一相機（52,400)、第二光源（54， 401)以及處理器（1520, 50,60)，所述結構能夠關于第一軸（20)和第二軸（18)旋轉，所述 第一光源產生與所述絕對距離計量儀協作的第一光束（46)，所述第一角度變換器測量關于 所述第一軸的第一旋轉角度（71)，所述第二角度變換器測量關于所述第二軸的第二旋轉角 度（72)，所述跟蹤系統被配置為將所述第一光束移動到所述回射器目標集合中的任意回射 器目標的中心，所述第一相機包括第一透鏡系統（402)和第一感光陣列（404)，所述第二光 源提供第二光束（440)，并且所述處理器被配置為操作所述激光跟蹤儀；
[0166] 存儲用于所述第一目標、所述第二目標和所述第三目標以及至少一個附加點（26， 29)的名義坐標的列表（710)，所述名義坐標是第二參考框架（40)中的三維坐標；
[0167] 在所述第一感光陣列上捕捉通過所述第二光束發射并反射離開所述第一目標、所 述第二目標和所述第三目標的一部分光線（715);
[0168] 根據反射離開所述第一目標、所述第二目標和所述第三目標中的每個目標的一部 分光線，獲得所述感光陣列上的光點位置（720,42);
[0169] 分別確定所述第一感光陣列上的第一光點位置、第二光點位置和第三光點位置與 所述第一目標、所述第二目標和所述第三目標的名義坐標之間的對應關系（725);
[0170] 至少部分地基于所述第一光點位置和所述第一目標的名義坐標，將所述第一光束 引導到所述第一目標（730);
[0171] 利用所述絕對距離計量儀、所述第一角度變換器和所述第二角度變換器測量所述 第一目標的三維坐標（730);
[0172] 至少部分地基于所述第二光點位置和所述第二目標的名義坐標，將所述第一光束 引導到所述第二目標（735);
[0173] 利用所述絕對距離計量儀、所述第一角度變換器和所述第二角度變換器測量所述 第二目標的三維坐標（735);
[0174] 至少部分地基于所述第三光點位置和所述第三目標的名義坐標，將所述第一光束 引導到所述第三目標（740);
[0175] 利用所述絕對距離計量儀、所述第一角度變換器和所述第二角度變換器測量所述 第三目標的三維坐標（740);
[0176] 至少部分地基于測量的所述第一目標、所述第二目標和所述第三目標的三維坐標 以及所述至少一個附加點的名義坐標，確定所述第一參考框架中至少一個附加點的三維坐 標（745);以及
[0177] 存儲確定的所述至少一個附加點的三維坐標（750)。
[0178] 方案2.根據方案1所述的方法，還包括步驟：
[0179] 將所述第一光束引導到所述至少一個附加點（805);
[0180] 將選擇的回射器目標放置為攔截至少一部分所述第一光束，所述選擇的回射器目 標選自所述回射器目標的集合中任意的回射器目標（810);
[0181] 將所述第一光束引導到所述選擇的回射器目標的中心（815);以及
[0182] 利用所述絕對距離計量儀、所述第一角度變換器和所述第二角度變換器，測量所 述選擇的回射器目標的三維坐標（820)。
[0183] 方案3.根據方案2所述的方法，其中將選擇的回射器目標放置為攔截至少一部分 所述第一光束的步驟包括選自以下群組的一個步驟，所述群組包括：
[0184] 移動所述選擇的回射器目標，以攔截至少一部分所述第一光束；以及
[0185] 將所述選擇的回射器目標放置在固定巢中，所述固定巢位于攔截至少一部分所述 第一光束的位置。
[0186] 方案4.根據方案1所述的方法，還包括步驟：
[0187] 將所述第一光束引導到所述至少一個附加點（905);
[0188] 將所述第一光束移動到空間中的第一圖案中，所述第一圖案最接近所述至少一個 附加點（910);
[0189] 通過所述跟蹤系統檢測所述第一光束的存在（915);
[0190] 將所述第一光束引導到所述選擇的回射器目標的中心（920);以及
[0191] 利用所述絕對距離計量儀、所述第一角度變換器和所述第二角度變換器測量所述 選擇的回射器目標的三維坐標（925)。
[0192] 方案5.根據方案1所述的方法，還包括步驟：
[0193] 提供第三相機和第四光源（1005)，所述第三相機（58)包括第三透鏡系統和第三 感光陣列，所述第三相機的視場小于所述第一相機的視場，所述第四光源（56)提供第四光 束；
[0194] 在所述第三感光陣列上捕捉通過所述第四光源發射并反射離開所述第一目標、所 述第二目標和所述第三目標的一部分光線（1010);
[0195] 根據反射離開所述第一目標、所述第二目標和所述第三目標中每個目標的一部分 光線，獲得所述感光陣列上的光點位置（1015);以及
[0196] 分別確定所述第三感光陣列上的第一光點位置、第二光點位置和第三光點位置與 所述第一目標、所述第二目標和所述第三目標的名義坐標之間的對應關系（1020)。
[0197] 方案6.根據方案1所述的方法，其中在所述第一感光陣列上捕捉通過所述第二光 束發射并反射離開所述第一目標、所述第二目標和所述第三目標的一部分光線的步驟還包 括選自以下群組的一個步驟，所述群組包括：
[0198] 將所述激光跟蹤儀置于架子上，使得所述第一感光陣列同時獲得用于所述第一目 標、所述第二目標和所述第三目標的光點位置；
[0199] 將所述第一相機和所述第二光源旋轉至多個方位，使得對于所述第一目標、所述 第二目標和所述第三目標，所述第一感光陣列在所述多個方位中的一些方位獲得一些光點 位置；以及
[0200] 移動所述回射器的集合中的選擇的回射器，以將包含所述第一目標、所述第二目 標和所述第三目標的空間區域劃界，所述空間區域由所述激光跟蹤儀、通過跟蹤所述選擇 的回射器目標或者通過在所述第一感光陣列上跟隨所述選擇的回射器目標的移動來確定。
[0201] 方案7.根據方案1所述的方法，其中提供包括回射器目標的集合以及激光跟蹤儀 的系統的步驟還包括提供第二相機和第三光源，所述第二相機包括第二透鏡系統和第二感 光陣列，所述第三光源提供第三光束，所述激光跟蹤儀中的所述處理器還被配置為計算所 述回射器目標的集合中任意回射器目標的三維坐標，所計算的三維坐標至少部分地基于所 述第一感光陣列上的第一圖像以及所述第二感光陣列上的第二圖像，所述第一圖像和所述 第二圖像分別響應于所述第二光源和所述第三光源發射的光線獲得，來自所述第一光源和 所述第二光源的光線被所述回射器目標的集合中的回射器目標反射。
[0202] 方案8.根據方案1所述的方法，其中分別確定所述第一感光陣列上的第一光點位 置、第二光點位置和第三光點位置與所述第一目標、所述第二目標和所述第三目標的名義 坐標之間的對應關系包括選自以下群組的一個步驟，所述群組包括：
[0203] 至少部分地基于所述第一參考框架與所述第二參考框架之間的允許相對方位的 范圍以及所述第一目標、所述第二目標和所述第三目標的名義坐標，來確定所述對應關 系；
[0204] 響應于通過來自所述第二光源的光線對所述第一目標、所述第二目標和所述第三 目標的照射，在第一時間收集來自所述第一感光陣列的第一組圖像；改變所述第一旋轉角 度和所述第二旋轉角度其中之一，并且響應于通過來自所述第二光源的光線對所述第一目 標、所述第二目標和所述第三目標的照射，在第二時間收集來自所述第一感光陣列的第二 組圖像；以及確定所述第一感光陣列上的所述第一光點位置、所述第二光點位置和所述第 三光點位置與所述第一目標、所述第二目標和所述第三目標的名義坐標之間的對應關系， 所述確定至少部分地基于所述第一組圖像和所述第二組圖像；以及
[0205] 響應于通過來自所述第二光源的光線對所述第一目標、所述第二目標和所述第三 目標的照射，在第三時間收集來自所述第一感光陣列的第三組圖像；改變所述第二參考框 架相對于所述第一參考框架的位置，并且響應于通過來自所述第二光源的光線對所述第一 目標、所述第二目標和所述第三目標的照明，在第四時間收集來自所述第一感光陣列的第 四組圖像；以及確定所述感光陣列上的所述第一光點位置、所述第二光點位置和所述第三 光點位置與所述第一目標、所述第二目標和所述第三目標的名義坐標之間的對應關系，所 述確定至少部分地基于所述第三組圖像和所述第四組圖像。
[0206] 方案9.根據方案1所述的方法，其中存儲用于所述第一目標、所述第二目標和所 述第三目標以及至少一個附加點的名義坐標的列表，所述名義坐標是第二參考框架中的三 維坐標的步驟還包括以下步驟的其中之一：
[0207] 從CAD模型中提取所述名義坐標；以及
[0208] 通過3D測量儀器測量所述名義坐標。
[0209] 方案10.根據方案1所述的方法，還包括將所述第一光束引導到多個附加點的步 驟，所述多個附加點包括第一附加點，所述多個附加點指示操作者要采取的動作（1105)。
[0210] 方案11.根據方案10所述的方法，其中操作者要采取的動作包括以下至少其中之
[0211] 拾取選擇的回射器目標，所述選擇的回射器目標由所述多個附加點指定；
[0212] 沿所述多個附加點指示的方向移動選擇的回射器目標，通過所述回射器捕捉所述 第一光束，以及利用所述絕對距離計量儀、所述第一角度變換器和所述第二角度變換器，測 量至少一個點的三維坐標；
[0213] 觀察通過所述多個附加點形成的圖案，通過所述回射器捕捉所述第一光束，以及 沿著所述圖案測量三維點；以及
[0214] 觀察通過所述多個附加點形成的圖案，將所述點解釋為姿態命令，并采取通過所 述姿態命令指示的動作。
[0215] 方案12.根據方案1所述的方法，其中確定所述至少一個附加點的三維坐標的步 驟還包括步驟：
[0216] 計算變換矩陣，所述變換矩陣用于將所述第二參考框架中的任意三維坐標變換為 所述第一參考框架中的任意三維坐標，所述計算至少部分地基于所述第一目標、所述第二 目標和所述第三目標的名義坐標；以及
[0217] 至少部分地基于所述變換矩陣以及所述至少一個附加點的名義坐標，計算所述至 少一個附加點的三維坐標。
[0218] 方案13.根據方案1所述的方法，其中提供包括回射器目標的集合以及激光跟蹤 儀的系統的步驟包括從回射器目標的集合中提供至少一個具有立方隅角回射器的回射器 目標，所述立方隅角回射器具有相互垂直的三個反射表面。
[0219] 方案14.根據方案1所述的方法，其中提供包括回射器目標的集合以及激光跟蹤 儀的系統的步驟包括從回射器目標的集合中提供至少一個回射器目標作為球面安裝的回 射器，所述球面安裝的回射器具有嵌入球表面中的立方隅角回射器。
[0220] 方案15.根據方案1所述的方法，其中提供包括回射器目標的集合以及激光跟蹤 儀的系統的步驟包括從回射器目標的集合中提供至少一個回射器目標作為位于球表面中 心的反射點。
[0221] 方案16.根據方案2所述的方法，還包括根據檢查方案進行測量的步驟（1205)。
[0222] 方案17.根據方案16所述的方法，其中根據檢查方案進行測量的步驟還包括在沒 有操作者干涉的情況下自動進行測量的步驟。
[0223] 方案18.根據方案16所述的方法，其中根據檢查方案進行測量的步驟還包括以下 步驟：移動所述第一光束以引導操作者移動所述選擇的回射器目標，從而根據檢查方案進 行測量。
[0224] 方案19.根據方案16所述的方法，其中根據檢查方案進行測量的步驟還包括：檢 測何時操作者將所述回射器目標置于錯誤位置，并引導操作者將所述選擇的回射器目標移 動到正確位置，所述激光跟蹤儀移動所述第一光束，以向所述操作者指示所述選擇的回射 器目標的正確位置。
[0225] 方案20.根據方案1所述的方法，還包括步驟：
[0226] 將所述第一光束引導到所述至少一個附加點（1305);以及
[0227] 在所述第一光束的位置進行裝配操作（1310)。
[0228] 方案21.根據方案20所述的方法，其中進行裝配操作的步驟包括在處于所述第一 光束的位置的物體中鉆孔。
[0229] 方案22.根據方案2所述的方法，還包括步驟：
[0230] 提供通過所述激光跟蹤儀測量檢查點的檢查方案（1405);
[0231] 將至少一個回射器目標附接于待測物體（1410);
[0232] 向附接于所述待測物體的所述至少一個回射器目標的三維坐標提供最大允許移 動（1415);
[0233] 測量附接于所述待測物體的所述至少一個回射器目標的三維坐標，所述測量在第 一時間以及在第二時間進行（1420);
[0234] 確定從所述第一時間到所述第二時間、所述至少一個回射器目標的三維坐標的第 一變化（1425);以及
[0235] 當所述第一變化超過所述最大允許移動時采取動作（1430)，所述動作是以下其中 之一：
[0236] 測量所述待測物體上的至少三個回射器，以重建所述檢查點的三維坐標，以及
[0237] 通知操作者所述第一變化已經超過所述最大允許移動。
[0238] 方案23.根據方案1所述的方法，還包括步驟：
[0239] 提供最大允許偏差（1705);
[0240] 向待測物體提供熱膨脹系數（1710);
[0241] 提供參考溫度（1710);
[0242] 將第一參考回射器和第二參考回射器置于所述待測物體上，在所述參考溫度時， 所述第一參考回射器與所述第二參考回射器之間為第一距離（1715);
[0243] 測量所述待測物體的溫度（1720);
[0244] 通過從測量的所述待測物體的溫度減去所述參考溫度，計算第一溫度差（1725);
[0245] 通過將所述第一溫度差乘以所述熱膨脹系數，計算縮放系數（1730);
[0246] 利用所述絕對距離計量儀、所述第一角度變換器和所述第二角度變換器，測量所 述第一參考回射器的三維坐標（1735);
[0247] 利用所述絕對距離計量儀、所述第一角度變換器和所述第二角度變換器，測量所 述第二參考回射器的三維坐標（1735);
[0248] 計算從測量的所述第一參考回射器的三維坐標延伸到測量的所述第二參考回射 器的三維坐標的第二距離（1740);
[0249] 通過從所述第二距離減去所述第一距離，計算第三距離（1745);
[0250] 通過將所述縮放系數乘以所述第一距離，計算第四距離（1750);
[0251] 通過從所述第四距離減去所述第三距離，計算偏差值（1755);以及
[0252] 當所述偏差值超過所述最大允許偏差時采取動作，所述動作是發出警報，或者是 測量所述回射器目標的集合中至少一些回射器目標的三維坐標，以及根據這些數據，重建 用于待測物體的參考框架（1760)。
[0253] 方案24.根據方案16所述的方法，其中根據檢查方案進行測量的步驟包括步驟：
[0254] 獲得目標點的名義坐標，所述名義坐標得自計算機輔助制圖（CAD)中提供的數 據，所述CAD數據被變換為所述第一參考框架；
[0255] 提供所述選擇的回射器目標作為球面安裝的回射器，所述球面安裝的回射器具有 嵌入球表面中的立方隅角回射器，所述球表面具有第一半徑；
[0256] 將所述選擇的回射器目標放置在所述目標點的位置，所述回射器目標或者抵住所 述目標點地保持或者被放置在代表所述目標點的磁巢上；
[0257] 利用所述絕對距離計量儀、所述第一角度變換器和所述第二角度變換器，測量所 述選擇的回射器目標的三維坐標；
[0258] 至少部分地基于測量的所述選擇的回射器目標的三維坐標以及所述第一半徑，計 算所述測量的目標點的三維坐標；
[0259] 計算測量的目標點的三維坐標與所述目標點的名義坐標之間的第一差；以及
[0260] 提供所述第一差的指示。
[0261] 方案25.根據方案24所述的方法，其中提供所述第一差的指示的步驟包括：如果 所述第一差超過第一允許差，則提供警告。
[0262] 方案26.根據方案16所述的方法，其中根據檢查方案進行測量的步驟包括步驟： 進行雙面測試以獲得雙面誤差，并且如果所述雙面誤差超過最大允許雙面誤差值，則提供 敬生 目 1=1 〇
[0263] 方案27.根據方案16所述的方法，其中根據檢查方案測量的步驟包括步驟：測量 兩個目標點的三維坐標，并且如果所述兩個目標點的相對位置超過最大允許目標改變值， 則提供警告。
【權利要求】
1. 一種用于通過系統進行測量的方法，所述方法包括步驟： 提供包括回射器目標的集合以及激光跟蹤儀的系統，所述回射器目標的集合包括被 配置為置于物體上的至少兩個回射器目標，所述至少兩個回射器目標包括第一目標和第二 目標，第一參考框架中的所述激光跟蹤儀關于激光跟蹤儀環境固定，所述激光跟蹤儀具有 第一傾角計、結構、第一光源、絕對距離計量儀、第一角度變換器、第二角度變換器、跟蹤系 統、第一相機、第二光源、處理器以及存儲器，所述存儲器可操作地耦接至所述處理器，所述 第一傾角計被配置為測量所述第一參考架相對于重力矢量的第一傾角和第二傾角，所述結 構能夠關于第一軸和第二軸旋轉，所述第一光源產生與所述絕對距離計量儀協作的第一光 束，所述第一角度變換器測量關于所述第一軸的第一旋轉角度，所述第二角度變換器測量 關于所述第二軸的第二旋轉角度，所述跟蹤系統被配置為將所述第一光束移動到所述回射 器目標集合中的任意回射器目標的中心，所述第一相機包括第一透鏡系統和第一感光陣 列，所述第二光源提供第二光束，并且所述處理器被配置為操作所述激光跟蹤儀； 通過所述處理器將用于所述第一目標、所述第二目標以及至少一個附加點的名義坐標 的列表存儲到存儲器中，所述名義坐標是第二參考框架中的三維坐標； 通過第二傾角計測量所述第二參考框架相對于重力矢量的第三傾角和第四傾角； 在所述第一感光陣列上捕捉反射離開所述第一目標和所述第二目標的第二光束的一 部分； 根據反射離開所述第一目標和所述第二目標的第二光束的一部分，通過處理器確定所 述第一感光陣列上的第一光點位置和第二光點位置； 通過處理器分別確定所述第一光點位置和所述第二光點位置與所述第一目標和所述 第二目標的所存儲的名義坐標之間的對應關系； 至少部分地基于所存儲的所述第一目標的名義坐標、所述第一光點位置、所述第一傾 角、所述第二傾角、所述第三傾角以及所述第四傾角，通過所述處理器將所述第一光束引導 到所述第一目標； 利用所述絕對距離計量儀、所述第一角度變換器和所述第二角度變換器測量所述第一 目標的三維坐標； 至少部分地基于所存儲的所述第二目標的名義坐標、所述第二光點位置、所述第一傾 角、所述第二傾角、所述第三傾角以及所述第四傾角，通過所述處理器將所述第一光束引導 到所述第二目標； 利用所述絕對距離計量儀、所述第一角度變換器和所述第二角度變換器測量所述第二 目標的三維坐標； 通過所述處理器，將所述第一光束引導到多個附加點，所述多個附加點包括所述至少 一個附加點，所述多個附加點指示操作者要采取的動作； 至少部分地基于測量的所述第一目標的三維坐標、測量的所述第二目標的三維坐標、 所存儲的所述至少一個附加點的名義坐標、所述第一傾角、所述第二傾角、所述第三傾角以 及所述第四傾角，通過處理器確定所述第一參考框架中所述至少一個附加點的三維坐標； 以及 通過所述處理器將確定的所述至少一個附加點的三維坐標存儲到所述處理器中。
2. 根據權利要求1所述的方法，還包括步驟： 響應于所述第一光束被引導到所述至少一個附加點，由所述操作者將選擇的回射器目 標放置為攔截至少一部分所述第一光束，所述選擇的回射器目標選自所述回射器目標的集 合中任意的回射器目標； 由所述處理器將所述第一光束引導到所述選擇的回射器目標的中心；以及 利用所述絕對距離計量儀、所述第一角度變換器和所述第二角度變換器，測量所述選 擇的回射器目標的三維坐標。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中將選擇的回射器目標放置為攔截至少一部分所述 第一光束的步驟包括選自以下群組的一個步驟，所述群組包括： 移動所述選擇的回射器目標，以攔截至少一部分所述第一光束；以及 將所述選擇的回射器目標放置在固定巢中，所述固定巢位于攔截至少一部分所述第一 光束的位置。
4. 根據權利要求1所述的方法，還包括步驟： 由所述處理器將所述第一光束移動到空間中的第一圖案中，所述第一圖案最接近所述 至少一個附加點； 由所述跟蹤系統檢測所述第一光束通過選擇的回射器目標的反射，所述選擇的回射器 的目標選自所述回射器目標的集合中的任意回射器目標； 由處理器將所述第一光束引導到選擇的回射器目標的中心；以及 利用所述絕對距離計量儀、所述第一角度變換器和所述第二角度變換器測量所述選擇 的回射器目標的三維坐標。
5. 根據權利要求1所述的方法，還包括步驟： 向所述激光跟蹤儀提供第二相機和第三光源，所述第二相機包括第二透鏡系統和第二 感光陣列，所述第二相機的第二視場小于所述第一相機的第一視場，所述第三光源提供第 三光束； 在所述第二感光陣列上捕捉反射離開所述第一目標以及所述第二目標的所述第三光 束的一部分； 根據反射離開所述第一目標和所述第二目標的所述第三光束，通過所述處理器確定所 述第二感光陣列上的第三光點位置和第四光點位置；以及 通過處理器分別確定所述第三光點位置和第四光點位置與所存儲的所述第一目標和 所述第二目標的名義坐標之間的對應關系。
6. 根據權利要求1所述的方法，其中在所述第一感光陣列上捕捉反射離開所述第一目 標和所述第二目標的第二光束的一部分光線的步驟還包括選自以下群組的一個步驟，所述 群組包括： 將所述激光跟蹤儀置于架子上，使得所述第一感光陣列同時獲得所述第一光點位置和 所述第二光點位置； 將所述第一相機和所述第二光源關于所述第一軸旋轉至多個方位，使得所述第一感光 陣列在第一多個方位獲得所述第一光點位置以及在第二多個方位獲得所述第二光點位置； 以及 移動所述回射器目標的集合中的選擇的回射器目標，以將包含所述第一目標和所述第 二目標的空間區域劃界，所述空間區域由所述激光跟蹤儀、通過所述跟蹤系統跟蹤所述選 擇的回射器目標或者通過在所述第一感光陣列上跟蹤所述選擇的回射器目標的移動來確 定。
7. 根據權利要求1所述的方法，其中提供所述系統的步驟還包括向所述跟蹤儀提供第 三相機和第四光源，所述第三相機包括第三透鏡系統和第三感光陣列，所述第四光源提供 第四光束，所述處理器還被配置為計算所述回射器目標的集合中任意回射器目標的三維坐 標，所計算的三維坐標至少部分地基于所述第一感光陣列上的第一圖像以及所述第三感光 陣列上的第三圖像，所述第一圖像和所述第三圖像響應于通過所述任意回射器目標反射的 第二光束和第四光束獲得。
8. 根據權利要求1所述的方法，其中通過處理器確定所述第一光點位置和第二光點位 置與所存儲的所述第一目標和所述第二目標的名義坐標之間的對應關系的步驟包括選自 以下群組的一個步驟，所述群組包括： 至少部分地基于所述第一參考框架與所述第二參考框架之間的允許相對方位的范圍 以及所述第一目標和所述第二目標的名義坐標，來確定所述對應關系； 響應于通過所述第二光束對所述第一目標和所述第二目標的照射，在第一時間收集來 自所述第一感光陣列的第一組圖像；改變所述第一旋轉角度和所述第二旋轉角度其中之 一，并且響應于通過所述第二光束對所述第一目標和所述第二目標的照射，在第二時間收 集來自所述第一感光陣列的第二組圖像；以及確定所述第一光點位置和所述第二光點位置 與所述第一目標和所述第二目標的名義坐標之間的對應關系，所述確定至少部分地基于所 述第一組圖像和所述第二組圖像；以及 響應于所述第二光束對所述第一目標和所述第二目標的照射，在第三時間收集來自所 述第一感光陣列的第三組圖像；改變所述第二參考框架相對于所述第一參考框架的位置， 并且響應于所述第二光束對所述第一目標和所述第二目標的照射，在第四時間收集來自所 述第一感光陣列的第四組圖像；以及確定所述第一光點位置、所述第二光點位置與所述第 一目標和所述第二目標的名義坐標之間的對應關系，所述確定至少部分地基于所述第三組 圖像和所述第四組圖像。
9. 根據權利要求1所述的方法，其中存儲用于所述第一目標、所述第二目標以及至少 一個附加點的名義坐標的列表的步驟還包括選自以下群組中的一個步驟，所述群組包括： 從計算機輔助設計（CAD)模型中提取所述名義坐標；以及 通過3D測量儀器測量所述名義坐標。
10. 根據權利要求1所述的方法，還包括由操作者采取的選自以下群組中的動作，所述 群組包括： 拾取選擇的回射器目標，所述選擇的回射器目標由所述多個附加點指定； 沿所述多個附加點指示的方向移動所述選擇的回射器目標，通過所述選擇的回射器目 標捕捉所述第一光束，以及利用所述絕對距離計量儀、所述第一角度變換器和所述第二角 度變換器，測量至少一個附加點的三維坐標； 觀察通過所述多個附加點形成的圖案，通過所述選擇的回射器目標捕捉所述第一光 束，以及沿著所述圖案測量三維點；以及 觀察通過所述多個附加點形成的圖案，將所述點解釋為姿態命令，并采取通過所述姿 態命令指示的動作。
11. 根據權利要求1所述的方法，其中確定所述至少一個附加點的三維坐標的步驟還 包括步驟： 計算變換矩陣，所述變換矩陣用于將所述第二參考框架中的任意三維坐標變換為所述 第一參考框架中的任意三維坐標，所述計算至少部分地基于所述第一目標和所述第二目標 的名義坐標；以及 至少部分地基于所述變換矩陣以及所述至少一個附加點的名義坐標，計算所述至少一 個附加點的三維坐標。
12. 根據權利要求1所述的方法，其中提供所述系統的步驟包括從回射器目標的集合 中提供至少一個具有立方隅角回射器的回射器目標，所述立方隅角回射器具有相互垂直的 三個反射表面。
13. 根據權利要求1所述的方法，其中提供所述系統的步驟包括從回射器目標的集合 中提供至少一個回射器目標作為球面安裝的回射器，所述球面安裝的回射器具有嵌入球表 面中的立方隅角回射器。
14. 根據權利要求1所述的方法，其中提供所述系統的步驟包括從回射器目標的集合 中提供至少一個回射器目標作為位于球表面中心的反射點。
15. 根據權利要求2所述的方法，還包括根據檢查方案進行測量的步驟。
16. 根據權利要求15所述的方法，其中根據檢查方案進行測量的步驟還包括在沒有所 述操作者干涉的情況下自動進行測量的步驟。
17. 根據權利要求15所述的方法，其中根據檢查方案進行測量的步驟還包括以下步 驟：移動所述第一光束以引導所述操作者移動所述選擇的回射器目標，從而根據檢查方案 進行測量。
18. 根據權利要求15所述的方法，其中根據檢查方案進行測量的步驟還包括：檢測何 時所述操作者將所述選擇的回射器目標置于錯誤位置，并引導操作者將所述選擇的回射器 目標移動到正確位置，所述激光跟蹤儀移動所述第一光束，以向所述操作者指示所述選擇 的回射器目標的正確位置。
19. 根據權利要求1所述的方法，還包括步驟： 將所述第一光束引導到所述至少一個附加點；以及 在所述第一光束的位置進行裝配操作。
20. 根據權利要求19所述的方法，其中進行所述裝配操作的步驟包括在處于所述第一 光束的位置的物體中鉆孔。
21. 根據權利要求2所述的方法，還包括步驟： 提供通過所述激光跟蹤儀測量檢查點的檢查方案； 將至少一個回射器目標附接于待測的所述物體； 提供附接于待測的所述物體的所述至少兩個回射器目標中至少一個的最大允許移 動； 測量附接于待測的所述物體的所述兩個回射器目標中至少一個的三維坐標，所述測量 在第一時間以及在第二時間進行； 確定從所述第一時間到所述第二時間、所述至少兩個回射器目標中至少一個的三維坐 標的第一變化；以及 當所述第一變化超過所述最大允許移動時采取動作，所述動作是以下其中之一： 測量待測的所述物體上的、所述回射器目標的集合中的至少三個回射器，以重建所述 檢查點的三維坐標，以及 通知所述操作者所述第一變化已經超過所述最大允許移動。
22. 根據權利要求1所述的方法，還包括步驟： 提供最大允許偏差； 向待測的所述物體提供熱膨脹系數； 提供參考溫度； 將第一參考回射器和第二參考回射器置于待測的所述物體上，在所述參考溫度時，所 述第一參考回射器與所述第二參考回射器之間為第一距離； 測量待測的所述物體的溫度； 通過從測量的待測的所述物體的溫度減去所述參考溫度，計算第一溫度差； 通過將所述第一溫度差乘以所述熱膨脹系數，計算縮放系數； 利用所述絕對距離計量儀、所述第一角度變換器和所述第二角度變換器，測量所述第 一參考回射器的三維坐標； 利用所述絕對距離計量儀、所述第一角度變換器和所述第二角度變換器，測量所述第 二參考回射器的三維坐標； 計算從測量的所述第一參考回射器的三維坐標延伸到測量的所述第二參考回射器的 三維坐標的第二距離； 通過從所述第二距離減去所述第一距離，計算第三距離； 通過將所述縮放系數乘以所述第一距離，計算第四距離； 通過從所述第四距離減去所述第三距離，計算偏差值；以及 當所述偏差值超過所述最大允許偏差時采取動作，所述動作是發出警報，或者是測量 所述回射器目標的集合中至少一些回射器目標的三維坐標，以及重建用于待測的所述物體 的參考框架。
23. 根據權利要求15所述的方法，其中根據檢查方案進行測量的步驟包括步驟： 獲得目標點的名義坐標，所述名義坐標得自計算機輔助設計（CAD)中提供的數據，所 述CAD數據被變換為所述第一參考框架； 提供所述選擇的回射器目標作為球面安裝的回射器，所述球面安裝的回射器具有嵌入 球表面中的立方隅角回射器，所述球表面具有第一半徑； 將所述選擇的回射器目標放置在所述目標點的位置，所述回射器目標或者抵住所述目 標點地保持或者被放置在代表所述目標點的磁巢上； 利用所述絕對距離計量儀、所述第一角度變換器和所述第二角度變換器，測量所述選 擇的回射器目標的三維坐標； 至少部分地基于測量的所述選擇的回射器目標的三維坐標以及所述第一半徑，計算所 述測量的目標點的三維坐標； 計算測量的目標點的三維坐標與所述目標點的名義坐標之間的第一差；以及 提供第一差的指示。
24. 根據權利要求23所述的方法，其中提供所述第一差的指示的步驟包括：如果所述 第一差超過第一允許差，則提供警告。
25. 根據權利要求15所述的方法，其中根據檢查方案進行測量的步驟包括步驟：進行 雙面測試以獲得雙面誤差，并且如果所述雙面誤差超過最大允許雙面誤差值，則提供警告。
26. 根據權利要求15所述的方法，其中根據檢查方案測量的步驟包括步驟：測量兩個 目標點的三維坐標，并且如果所述兩個目標點的相對位置超過最大允許目標改變值，則提 供警告。
【文檔編號】G01C15/00GK104251696SQ201410484508
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2012年3月14日 優先權日:2011年3月14日
【發明者】肯尼斯·斯特菲, 尼爾斯·P·斯特芬森, 羅伯特·E·布里奇斯 申請人:法羅技術股份有限公司