[發明專利]坐標測量系統與方法

有效

• 申請號: 201380027706.0
• 申請日: 2013-03-28
• 公開（公告）號: CN104335067B
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發明（設計）人: E·B·休斯;D·W·維爾;M·S·沃登
• 申請（專利權）人: 商業創新和技能部國務大臣
• 主分類號: G01S17/46
• 分類號: G01S17/46;G01S17/42
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司44205
• 代理人: 譚英強

本發明涉及一種坐標測量方法和系統，如用于大容量計量及計量輔助裝置和一般坐標計量的坐標測量系統。

在說明書和權利要求書通篇中，坐標測量系統指代位置探測系統。

在一空間內，探測物體的三維位置存在多種方法。已知的方法包括如攝影測量法(或影像測量法)、激光跟蹤法及多點定位。

激光跟蹤器利用基于角度和距離的傳感器的組合。它將窄校準激光束發射到一特定逆反射目標上，如球狀逆反射器(SMR)。SMR沿與發射束相同的路徑將光束反射回到儀器中。激光跟蹤器中的傳感器探測SMR的移動，并控制激光束始終瞄準SMR。光束控制裝置上的角度編碼器測量從激光追蹤器到SMR的垂直和水平角度，而基于激光的距離測量系統測量到SMR的距離。結合兩個角度和一個距離為SMR提供球面極坐標形式的三維坐標。

同很多現有技術一樣，本技術的缺點在于單個儀器與目標之間需要瞄準線。當使用該技術時，例如大型裝置，如飛機，在保持激光跟蹤器和目標之間的視線方面比較困難，尤其當組件移動時。

克服瞄準線問題的一個方法為將測量系統從一個位置移動到另一位置。就激光跟蹤器而言，則有必要構建一個統一的坐標系統。另一個方法就是采用分布式測量系統，如攝影測量法。

攝影測量法包括通過在不同的位置拍攝兩或三張攝影圖像來探測物體的三維位置。該圖像可以是利用同一臺攝像頭依次拍攝，或者利用多攝像頭同時拍攝。如果圖像及坐標是以視頻幀速率實時處理，則該技術通常稱為影像測量法。在每個圖像上可確認多個共同基準點，而從攝像頭圖像到物理基準點的光線(光束)可以通過計算構成。每一個光束相對于攝像頭的方向可以從兩個角度去描述。如果攝像頭的方位(位置和方向)是已知的，這些光束的交叉就確定了該點的三維坐標。如果拍攝了足夠的圖片，并且確定了足夠多的基準點，則稱系統為超定(over determined)的，并且可以確定攝像頭的位置和方向以及基準點坐標。因此，系統為自校準的。

實際上，使用閃光照明，并結合位于待測物體的興趣點上的高反射目標是比較普遍的。這些目標通常平展、二維并且形狀規則。高反射率、閃光照明以及形狀規則的結合可生成高對比度的圖像，并且使識別和圖像處理更加容易。

這些目標的缺點在于它們只在有限的角度范圍內反射照明，并且實際上僅在一側可見。

已知攝影測量法系統還應用于使用有源目標(active target)的場合。該系統包括連接到手持探頭的發光二極管(LEDs)，該探頭反過來用于探測待檢測的點。然后多個攝像頭用于探測LEDs發出的光以及光被接收的角度，從而得到LEDs的位置，進而可計算出探頭和探頭針的位置和方向。由于上述反射目標，LED目標的操作角度范圍受限。這就限制了攝像頭的最大間隔，意味著當探頭移離攝像頭時，精度會減少。因此，該系統僅限用于相對較小的空間。正因如此，為了測量另一特征，通常需要系統重新排列并/或重新置位。

一些系統為了解決受限制的角度范圍和距離問題，將冗余(redundancy)引入系統。例如用環繞測量空間的分布式儀器替換單個儀器，為視線問題提供了靈活性，并減少了單個儀器同目標間距離的精度問題。

一個該系統包括多個位于環繞測量空間的固定點上的旋轉激光源。多個包括柱狀光探測器的目標貼在待測物體上。當目標探測到有激光束經過時，它都會產生脈沖。脈沖相對于激光源旋轉的時間可使光從特定激光源的入射角度得以計算。

這種系統的優點在于如果每個光探測器都可以看到至少兩個激光源，則系統容許一些光束中斷。然而，由于在激光源旋轉期間，來自不同激光源的光束由光探測器上不同的點探測，光探測器在來自不同激光源的探測光線之間的移動會影響計算得到的位置。這意味著計算得到的位置僅為旋轉激光源一個周期內的平均位置。

此外，激光源和形成目標的光探測器均為需要能量和復雜組件的有源設備(activedevice)，這意味著為源或目標而向系統內引入附加冗余是昂貴的。

再者，同攝影測量法及其他固有的基于角度的測量系統一樣，需要一種輔助方法，將比例(scale)引入系統。這通常采用校準基準長度或比例尺實現。

基于光學角度測量的系統的另一個缺點在于，由于大氣干擾沿光線在其長度方向上的不成比例的影響，該設備本身比光學距離測量系統的精度要低。