CN114322886A - 具有多传感器的姿态探头 - Google Patents

Abstract

本公开描述了一种具有多传感器的姿态探头，姿态探头用于进行空间位置和姿态测量，包括设置有位置敏感探测器的基准层、设置有空心角锥棱镜的棱镜层、以及基准层和棱镜层之间的中间层，位置敏感探测器设置于基准层的几何中心区域，位置敏感探测器包括感光面，位置敏感探器的感光面与空心角锥棱镜的轴线垂直，并配置为通过感光面以检测激光光束相对于感光面的移动距离并输出电压信号，棱镜层设置有指示单元，指示单元包括多个白色指示单元和多个黑色指示单元，白色指示单元和黑色指示单元配置为不在同一平面上，中间层包括设置有第一通孔的小孔板，姿态探头接收光束时，光束通过第一通孔到达感光面。

Description

具有多传感器的姿态探头

技术领域

本公开涉及一种智能制造装备产业，具体涉及一种具有多传感器的姿态探头。

背景技术

在精密工业以及测量领域，人们在对大型机器进行装配的时候，经常需要通过精密仪器对组装的目标物进行测试以提高装配精度，同时在对完成机器的组装后，也需要对机器进行校准，且在装配过程中，除了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，还需要对目标物品或目标点的运动情况进行测量，也即，对它们的姿态进行测量，因此需要一种可以测量目标物的三维坐标基础上，还能完成对目标物进行六个自由度坐标以及姿态测量的仪器。由此，出现了能够对目标物或者目标点进行高精度测量的激光跟踪仪。

目前基于激光跟踪仪跟踪靶标的测量***较为广泛的应用于机械设备的装配或高精度标定，由于激光跟踪仪具有多个旋转轴，在对机械进行测量或者标定时，激光跟踪仪通过多个旋转轴进行旋转并配合靶标测试目标的空间坐标以及姿态角度的信息。

现有技术中，常常单独利用具有位置敏感表面传感器(例如PSD或CCD)，其中被反射在目标上的激光束可以通过位置敏感探测器被检测到，并生成输出信号，通过处理输出信号获得目标的位置和姿态。然而当姿态探头位置变化甚至反射在目标上的激光光束被遮挡时，通过单独的位置敏感探测器难以检测到姿态探头的变化，通过记录位置敏感探测器输出信号的变化也不能准确的测量目标的位置和姿态。

发明内容

本公开是有鉴于上述现有技术的状况而提出的，其目的在于提供一种具有多传感器的能够准确的进行空间位置和姿态测量的姿态探头。

为此，本公开提供了一种具有多传感器的姿态探头，所述姿态探头用于空间位置和姿态测量，包括设置有位置敏感探测器的基准层、设置有空心角锥棱镜的棱镜层、以及基准层和棱镜层之间的中间层，位置敏感探测器设置于基准层的几何中心区域，位置敏感探测器包括感光面，位置敏感探的感光面与空心角锥棱镜的轴线垂直，并配置为通过感光面检测光束相对于感光面的移动距离并输出电压信号，棱镜层设置有配置为指示姿态探头的姿态的指示单元，指示单元包括多个白色指示单元和多个黑色指示单元，白色指示单元和黑色指示单元配置为不在同一平面上，中间层包括设置有第一通孔的小孔板，姿态探头接收光束时，光束通过第一通孔到达感光面。

在本公开所涉及的进行空间位置和姿态测量的姿态探头中，在姿态探头设置有位置敏感探测器、以及指示单元，通过位置敏感探测器检测入射光束的入射角度和位置，通过指示单元指示所示姿态探头的姿态。由此，能够自动识别并检测姿态探头的空间位置和姿态。

另外，在本公开所涉及的进行空间位置和姿态测量的姿态探头中，在所述棱镜层还设置有倾斜传感器，所述倾斜传感器配置为用于测量所述姿态探头在重力方向上的位置变化。由此，能够通过倾斜传感器测量姿态探头的二维角度及二维位置的变化。

另外，在本公开所涉及的姿态探头中，所述指示单元配置为通过激光跟踪仪摄像对其进行检测定位以获得所述姿态探头的姿态。由此，当进入姿态探头的激光光线被遮挡时，能够通过指示单元指示姿态探头的位置。

另外，在本公开所涉及的姿态探头中，所述基准层具有安装面和基准面，所述位置敏感探测器以所述感光面和所述安装面平行的方式设置于所述安装面，所述安装面与所述基准面平行。由此，当位置敏感探测器接收垂直入射的光线时位置敏感探测器输出电压为0，并能够准确的判断入射光束的角度位置。

另外，在本公开所涉及的姿态探头中，所述空心角锥棱镜由三片平面反射镜两两垂直组合形成，且所述空心角锥棱镜的顶部位于所述中间层且所述空心角锥棱镜的主体部分位于所述棱镜层。由此，当入射光束进入空心角锥棱镜时，通过平面反射入射光束能够减少入射光束的折射进而能够减少光能的损失。

另外，在本公开所涉及的姿态探头中，在所述空心角锥棱镜的顶部设置有第二通孔以使经过所述空心角锥棱镜的光束通过设置有所述第二通孔和所述第一通孔射入所述位置敏感探测器，所述第二通孔和所述第一通孔的大小相匹配。由此，射入空心角锥棱镜的光线能够通过第一通孔进而通过第二通孔射入位置敏感探测器。

另外，在本公开所涉及的进行空间位置和姿态测量的姿态探头中，在所述中间层内形成有以所述第二通孔为顶点的圆锥形的立体空间。由此，通过第二通孔的光束能够射入位置敏感探测器。

另外，在本公开所涉及的姿态探头中，所述基准层包括至少三个支撑部，通过调整所述支撑部的高度以使所述感光面与所述基准面的平行度小于预设值。由此，能够减少平行度对提高位置敏感的测量的偏差，进而能够调高测量精度。

另外，在本公开所涉及的姿态探头中，所述倾斜传感器为二维重力倾斜传感器。由此，能够通过倾斜传感器测量姿态探头在二维方向的位置和角度。

本公开第二方面还提供了一种坐标测量***，包括坐标测量装置和本公开第一方面所涉及的所述的姿态探头，所述坐标测量装置被配置为发射光束到所述姿态探头并接收经由所述姿态探头反射的光束。由此，通过接收坐标测量装置光源发射的光线，能够测量所述姿态探头的6D姿态。

通过本公开，能够提供一种多传感方式融合的姿态探头，进行空间位置和姿态测量，提高测量的精确性和操作的便利性。

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，其中：

图1是示出了本公开所涉及的姿态探头的立体图。

图2是示出了本公开所涉及的姿态探头的对称面的剖视图。

图3是示出了本公开所涉及的姿态探头的指示单元的分布图。

图4是示出了本公开所涉及的姿态探头的第一实施方式的示意图。

图5是示出了本公开所涉及的姿态探头的第一实施方式的应用场景示意图。

图6是示出了本公开所涉及的姿态探头的第一实施方式的姿态测量的流程图。

图7是示出了本公开所涉及的姿态探头的第二实施方式的示意图。

图8是示出了本公开所涉及的姿态探头的第二实施方式的应用场景示意图。

图9是示出了本公开所涉及的姿态探头的第二实施方式的姿态测量的流程图。

图10是示出了本公开所涉及的姿态探头的第三实施方式的示意图。

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。

需要说明的是，本公开中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，例如所包括或所具有的一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可以包括或具有没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

另外，在本公开的下面描述中涉及的小标题等并不是为了限制本公开的内容或范围，其仅仅是作为阅读的提示作用。这样的小标题既不能理解为用于分割文章的内容，也不应将小标题下的内容仅仅限制在小标题的范围内。

以下，结合附图对本公开涉及的姿态探头进行详细描述。此外，本公开的示例描述的应用示意图是为了更加清楚的说明本公开的技术方案，并不构成对于本公开提供的技术方案的限定。

本公开的第一方面涉及一种具有多传感器的姿态探头，姿态探头用于进行空间位置和姿态测量，“空间位置和姿态测量的姿态探头”可以简称为“6D姿态探头”或“姿态探头”，“坐标测量装置”也可以称为“激光跟踪仪”或“坐标测量仪”，位置敏感探测器(PSD)也可以称为“位置探测器”。

图1是示出了本公开所涉及的姿态探头1的立体图。

在一些示例中，姿态探头1的结构沿着中心大致左右对称。

图2是示出了本公开所涉及的姿态探头1的对称面的剖视图。在一些示例中，姿态探头1可以关于对称面周对称。

如图2所示，在一些示例中，姿态探头1可以具有多层结构。在本实施方式中，姿态探头1可以具有三层结构。在一些示例中，姿态探头1的三层结构可以为棱镜层10、中间层20、以及基准层30。在一些示例中，中间层20设置于棱镜层10和基准层30之间。

在一些示例中，在基准层30设置有位置敏感探测器31。在这种情况下，通过位置敏感探测器31能够感知其接收的入射光束的位置变化。在一些示例中，位置敏感探测器31可以为二维PSD。由此，能够测量姿态探头1接收的入射光束的二维位置。在一些示例中，位置敏感探测器31还可以设置于基准层30的几何中心区域。

在一些示例中，位置敏感探测器31包括感光面(未图示)。在这种情况下，当姿态探头1接收入射光束时，光束能够射入位置敏感探测器31上的感光面。在一些示例中，位置敏感探测器31可以感测接收的光点在感光面入射的位置，进而输出不同的电压或者电流信号。由此，能够通过感光面检测入射光束的位置变化。在一些示例中，感光面可以和空心角锥棱镜11的轴线垂直。

在一些示例中，在棱镜层10还可以设置有空心角锥棱镜11。在这种情况下，当入射光束进入空心角锥棱镜11时，通过平面反射入射光束能够减少入射光束的折射进而能够减少光能的损失。

在一些示例中，在中间层20可以设置有小孔板21。在一些示例中，小孔板21可以为铝板。在一些示例中，小孔板21设置有第一通孔(未图示)。在这种情况下，进入姿态探头1的入射光线能够通过第一通孔进入中间层20。

在一些示例中，小孔板21的开口朝向具有位置敏感探测器31的基准层30。

在一些示例中，在棱镜层10还设置有指示单元12。在一些示例中，指示单元12可以通过其视觉检测指示姿态探头1的姿态。在一些示例中，指示单元12的个数可以为多个。在这种情况下，当进入姿态探头的激光光束被遮挡时，基于指示单元12能够指示目标然后确定目标的位置。

图3是示出了本公开所涉及的姿态探头1的指示单元的分布图。

如图3所示，在一些示例中，指示单元12可以在姿态探头1上不对称分布。在这种情况下，当姿态探头1呈现任意角度时，可以根据姿态探头1上分布的各个指示单元中相差的距离从而分辨其他的指示单元12。由此，能够提高姿态探头1测量位置的精准度。

如图3所示，在一些示例中，指示单元12可以包括白色指示单元120和黑色指示单元121。在一些示例中，白色指示单元120和黑色指示单元121的数量可以为多个。在一些示例中，各个指示单元12在姿态探头1上的分布可以如图3所示。但本实施方式的示例不限于此，在另外一些示例中，指示单元12在姿态探头1上还可以呈现其他布局。

在一些示例中，白色指示单元120和黑色指示单元121可以不在同一平面上。在一些示例中，白色指示单元120可以位于第一平面，黑色指示单元121可以位于第二平面。在一些示例中，第一平面和第二平面之间的高度差可以在20～50㎜之间。具体而言，第一平面和第二平面之间的高度差可以选择为20㎜、25㎜、30㎜、35㎜、40㎜、45㎜或者50㎜。在这种情况下，通过将处于不同平面的指示单元的测量结果进行比对，能够剔除明显具有较大误差的测量结果。由此。能够比较准确地测量目标的姿态进而得到比较精确的测量结果。

在一些示例中，指示单元12还可以配置有特征标识。在一些示例中，不同颜色的指示单元可以配置为不同的特征表示。

在一些示例中，白色指示单元120可以用于表示主要特征。也即，白色指示单元120可以作为主要特征指示单元。在一些示例中，黑色指示单元121可以用于表示次要特征。也即，黑色指示单元121可以作为次要特征指示单元。

在一些示例中，表示主要特征的指示单元的位置可以是固定的。在一些示例中，表示次要特征的指示单元的位置可以是变化的。在一些示例中，白色指示单元120的位置可以是固定的，黑色指示单元121的位置可以是变化的。在这种情况下，将白色指示单元120和黑色指示单元121以不同的方式组合，能够得到指示单元的多种布局。另外，可以根据对应情况根据不同的特征指示单元的布局，提取所需要的特征信息。

但本实施方式的示例不限于此，在另外一些示例中，主要特征指示单元可以在布局图中用黑色表示，次要特征指示单元可以在布局图中用白色表示。在另外一些示例中，主要特征视觉和次要指示单元在布局图中还可以用其他颜色表示。

在一些示例中，白色指示单元120在姿态探头1上的排布可以大致呈现两条直线。在一些示例中，两条直线呈现相交的状态。在这种情况下，当运用姿态探头1的指示单元进行测量时，根据指示单元传递的大致形成连线的信号，能够从指示单元12中区分白色指示单元120。

在一些示例中，任意三个包括白色指示单元120和黑色指示单元121的指示单元不在同一直线上。具体而言，任意一个白色指示单元120和任意两个黑色指示单元121不在同直线上，任意两个白色指示单元120和任意一个黑色指示单元121不在同直线上。在这种情况下，当姿态探头1翻转的时候，指示单元12的各指示单元的检测的视线不会被遮挡。同时，也能够调高测量时各指示单元12的区分度。

在一些示例中，指示单元12可以是发光二极管(LED)。由此，能够通过发光二极管发光照明以确定姿态探头1的位置。

在一些示例中，指示单元12的红外波长在850～1550nm之间。

在一些示例中，基准层30具有安装面和基准面(未图示)，在一些示例中，位置敏感探测器31设置于安装面。在一些示例中，位置敏感探测器31的感光面和安装面平行。在一些示例中，安装面和基准面平行。在这种情况下，当位置敏感探测器31接收垂直入射的光线时位置敏感探测器31上输出电压为0。由此，能够根据位置敏感探测器31的输出电压值判断入射光线的入射的角度的情况。

在一些示例中，基准层30可以包括至少三个支撑部(未图示)。在一些示例中，通过调整支撑部的高度以使感光面和基准面的平行度小于预设值。在一些示例中，预设值可以不大于6μm。具体而言，预设值可以为6μm、5μm、4μm或者3μm。

在一些示例中，空心角锥棱镜11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。

在一些示例中，位置敏感探测器31的感光面和空心角锥棱镜11的切面平行安装。在一些示例中，位置敏感探测器31的感光面和空心角锥棱镜11的切面的平行度公差可以通过管控安装控制。在一些示例中，通过管控安装控制平行度公差在5～10μm之间。具体而言，平行度公差可以为5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm。

在一些示例中，空心角锥棱镜11的顶点部分位于中间层20。在一些示例中，空心角锥棱镜11的主体部分位于棱镜层10。(参见图2)

在一些示例中，空心角锥棱镜11的顶部可以设置有第二通孔(未图示)。

在一些示例中，经过空心角锥棱镜11的光束通过第二通孔和第一通孔射入位置敏感探测器31。在一些示例中，第二通孔和第一通孔的大小和位置可以相匹配。

在一些示例中，第二通孔和第一通孔的直径可以不大于1㎜。在这种情况下，通过第二通孔的光束没有发生光的衍射现象，光能的损失较少。由此，能够提高位置敏感探测器31对入射光束测量的精度。

在一些示例中，中间层20内可以形成有以第二通孔为顶点的圆锥形的立体空间。在这种情况下，经由空心角锥棱镜11射入中间层20的入射光束可以比较顺利的投射到位置敏感探测器31上。由此，能够降低入射光束的损耗。

在本公开的第二方面中，还公开了一种坐标测量***。如图5所示在一些示例中，坐标测量***可以包括坐标测量装置2和姿态探头1，其中，姿态探头1为上文任一所述的姿态探头。在一些示例中，坐标测量装置2可以发射光束到姿态探头1。在一些示例中，坐标测量装置2还可以接收经由姿态探头1反射的光束。在这种情况下，通过接收坐标测量装置光源发射的光线，能够测量所述姿态探头1的6D姿态。

在一些示例中，坐标测量装置2还包括激光器(未图示)。在一些示例中，当激光器发出激光光束时，通过跟踪镜的激光光束射入空心角锥棱镜11，大部分以平行于入射光线的方向从空心角锥棱镜11反射回到原位，剩下部分光束可以通过空心角锥棱镜11的第二通孔进入位置敏感探测器31。

在一些示例中，可以结合指示单元12和位置敏感探测器31，对姿态探头1进行空间姿态测量。在一些示例中，坐标测量装置2可以包括姿态相机20。由此，能够通过姿态相机20拍摄姿态探头1进而获得姿态探头1的运动轨迹。

以下，详细描述利用本公开所述涉及的姿态探头1的不同的实施方式对本发明进行详细描述，但下述实施例、实施方式只是为了具体说明本发明而提供的例子，并不限定或限制本申请中公开的发明的范围。

在第一实施方式中，姿态探头1可以包括指示单元12和位置敏感探测器31，由此，能够融合指示单元12和位置敏感探测器31配合坐标测量装置2进行测量得到测量结果。

图4是示出了本公开所涉及的姿态探头1的第一实施方式的示意图。图5是示出了本公开所涉及的姿态探头1的第一实施方式的应用场景示意图。图6是示出了本公开所涉及的姿态探头1的第一实施方式的姿态测量的流程图。

在一些示例中，如图6所示，本公开所涉及的姿态探头的第一实施方式的姿态测量的流程可以包括：建立坐标系(步骤S100)；定义位置敏感探测器31的原点坐标(步骤S200)；定义坐标系之间的转换关系(步骤S300)；测量光束击中位置敏感探测器31上的坐标(步骤S400)；通过单目视觉法联合倾斜传感器13求解姿态角(步骤S500)；得到姿态转换矩阵(步骤S600)；计算姿态探头1的位置(步骤S700)。

在一些示例中，在步骤S100中，可以分别在姿态相机20、坐标测量装置2、以及姿态探头1建立不同的坐标系。具体而言，以姿态相机的光心作为原点O建立以水平面为X轴和Y轴相互垂直的平面，以竖直方向为Z轴的第一坐标系，以坐标测量装置的几何中心作为原点O建立以水平面为X轴和Y轴相互垂直的平面，以重力方向为Z轴的第二坐标系。另外，以空心角锥棱镜11的顶点作为原点O1，小孔板21所在的平面作为X1轴和Y1轴相互垂直的平面，与小孔板21所在的平面垂直的方向作为Z1轴建立第三坐标系。以位置敏感探测器31的几何中心作为原点O2，位置敏感探测器31所在的平面作为X2轴和Y2轴互相垂直的平面建立二维坐标系。

在一些示例中，第一坐标系为姿态相机20的坐标系，第二坐标系为坐标测量装置2的坐标系。在一些示例中，第三坐标系为姿态探头1的坐标系。

在一些示例中，在步骤S200中，定义第三坐标系下位置敏感探测器31原点的空间坐标。其中，原点的空间坐标为(0，0，h)。

在一些示例中，在步骤S300中，设定射入空心角锥棱镜11的光束作为一个单位向量，通过坐标系的转换，当光束位于不同的坐标系下，光束能够具有不同的空间位置。将处于第三坐标系的光束转换到第一坐标系，能够得到第三坐标系和第一坐标系的坐标转换的矩阵关系。同样的，将处于第一坐标系中的光束转换到第二坐标系，能够得到第一坐标系与第二坐标系之间坐标转换的矩阵关系。其中，第一坐标系与第二坐标系之间的坐标转换可以通过标定得到。

在一些示例中，在步骤S400中，通过位置敏感探测器31测量并记录入射光束击中位置敏感探测器时的坐标，其中，位置敏感探测器31测量的坐标为二维坐标系下的坐标。通过位置敏感探测器31测量的坐标进而得到第三坐标系下光束向量的位置坐标。

在一些示例中，在步骤S500中，通过单目视觉法求解姿态探头1的姿态角，姿态角包括方位角、俯仰角、以及横滚角。在一些示例中，方位角可以表示姿态探头1围绕坐标测量装置2的第一旋转轴(未图示)的旋转角。在一些示例中，俯仰角可以表示姿态探头1围绕沿着坐标测量装置2的重力方向所在的轴的旋转角度。在一些示例中，横滚角可以表示姿态探头1围绕坐标测量装置2的第三旋转轴(未图示)的旋转角度。

在一些示例中，在步骤S600中，通过姿态角运算得到第二坐标系和第三坐标系之间的姿态转换关系。也即，得到从第二坐标系变换到第三坐标系的姿态转换矩阵。

在一些示例中，在步骤S700中，通过第三坐标系与第二坐标系之间的姿态转换矩阵，利用在第三坐标系下测量的已知的空心角锥棱镜11的顶点，通过矩阵转换计算进而能够得到姿态探头1的位置。

图7是示出了本公开所涉及的姿态探头1的第二实施方式的示意图。图8是示出了本公开所涉及的姿态探头1的第二实施方式的应用场景示意图。图9是示出了本公开所涉及的姿态探头1的第二实施方式的姿态测量的流程图。

在第二实施方式中，姿态探头1可以包括位置敏感探测器31和倾斜传感器13(参见图7)。在一些示例中。姿态探头1可以不包括指示单元12。由此，能够融合位置敏感探测器31和倾斜传感器13配合坐标测量装置2进行测量。

在一些示例中，如图7所示，可以在棱镜层10设置倾斜传感器13。

在一些示例中，倾斜传感器13可以为重力倾斜传感器。在一些示例中，倾斜传感器13的角度测量范围可以为二维倾斜传感器。在一些示例中，倾斜传感器13可以配置为用于测量姿态探头1在竖直方向上的角度变化。在一些示例中，棱镜层10还可以设置有指示单元12。在一些示例中，指示单元12可以用于检测姿态探头1的姿态。在这种情况下，若倾斜传感器13和指示单元12相互配合，可以得到较精确的测量结果。

如图8所示，在一些示例中，当坐标测量装置2没有摄像单元时。若使用坐标测量装置2对目标进行拍摄时，通过姿态探头1的空心角锥棱镜11、位置敏感探测器31、以及倾斜传感器13相互配合能够对目标进行6D测量。具体而言，通过无姿态相机20的坐标测量装置2发射光束到姿态探头1并接收姿态探头1反射的光束进行相应计算能够进行空间位置和姿态测量。在这种情况下，通过姿态探头1可以配合具有不同配置的坐标测量装置1进行共同测量。由此，能够提高姿态探头1的配合，同时提高操作的便利性。

在一些示例中，姿态探头1可以不具有指示单元12。也即，姿态探头1包括空心角锥棱镜11、位置敏感探测器31、以及倾斜传感器13。换而言之，姿态探头1通过位置敏感探测器31和倾斜传感器13进行测量和计算其空间坐标和姿态。

在一些示例中，如图8所示，姿态探头1可以不具有指示单元12，坐标测量装置3可以不具有姿态相机20。当姿态探头1不具有指示单元12时，使用坐标测量装置2发射光束发射到姿态探头1的空心角锥棱镜11，进而对姿态探头1进行测量。

以下，结合图9，详细描述利用本公开所述涉及的姿态探头1的第二实施方式的姿态测量的流程。

在一些示例中，如图9所示，本公开所涉及的姿态探头1的第二实施方式的姿态测量的流程可以包括：调平坐标测量装置2(步骤S210)；建立坐标系(步骤S220)；定义位置敏感探测器31的原点坐标(步骤S230)；定义坐标系之间的转换关系(步骤S240)；通过单目视觉法求解姿态角(步骤S250)；得到姿态转换矩阵(步骤S260)；计算姿态探头1的位置(步骤S270)。

在一些示例中，在步骤S210中，可以通过重力水平仪器将坐标测量装置2进行调平。

在一些示例中，在步骤S210中，在坐标测量装置2、以及姿态探头1建立不同的坐标系。具体而言，以坐标测量装置的中心作为原点O建立以水平面为X轴和Y轴相互垂直的平面，以竖直方向为Z轴的第二坐标系。在一些示例中，第二坐标系为坐标测量装置2的坐标系。以空心角锥棱镜11的顶点作为原点O1，以小孔板21所在的平面作为X1轴和Y1轴相互垂直的平面，以与小孔板21所在的平面垂直的方向为Z1轴建立第三坐标系，以位置敏感探测器31的几何中心作为原点O2，以位置敏感探测器31所在的平面作为X2轴和Y2轴互相垂直的平面建立二维坐标系。

在一些示例中，在步骤S220中，定义第三坐标系下位置敏感探测器31原点的空间坐标。

在一些示例中，在步骤S230中，设定射入空心角锥棱镜11的光束作为一个单位向量，通过坐标系的转换，当光束位于不同的坐标系下，光束能够具有不同的空间位置。将处于第三坐标系的光束转换到第二坐标系，能够得到第三坐标系和第二坐标系的坐标变换的矩阵关系。

在一些示例中，在步骤S240中，通过单目视觉法求解姿态探头1的姿态角，姿态角包括方位角、俯仰角、以及横滚角。

在一些示例中，在步骤S250中，通过姿态角运算得到从第三坐标系变换到第二坐标系的姿态转换矩阵。

在一些示例中，在步骤S260中，通过第三坐标系和第二坐标系的姿态转换矩阵得到姿态探头1的姿态。

图10是示出了本公开所涉及的姿态探头1的第三实施方式的示意图。

在第三实施方式中，姿态探头1可以包括指示单元12、位置敏感探测器、以及倾斜传感器13。在这种情况下，能够融合指示单元12、位置敏感探测器、以及倾斜传感器13配合坐标测量仪器2共同测量进而得到测量结果。在第一实施方式和第二实施方式中关于相对应的姿态测量的方式进行了相应描写，结合以上第一实施方式和第二实施方式的相关内容，此处关于第三实施方式的内容不再赘述。

在一些示例中，姿态探头1可以具有工作开关(未图示)。

在一些示例中，姿态探头1还可以设置有工作状态指示灯(未图示)。当工作状态指示灯显示为绿色时，则表示姿态探头1处于正常工作的状态。当工作状态指示灯显示为其他颜色例如红色时，则表示姿态探头1处于非正常工作的状态。

在一些示例中，姿态探头1还可以设置有反馈指示灯(未图示)。

在一些示例中，反馈指示灯可以用于分辨姿态探头的工作距离是否超出正常工作范围。在这种情况下，当姿态探头1测量的工作距离范围不在正常区域内时，能够通过观察反馈指示灯不断调节姿态探头1直到反馈指示灯正常显示。

在一些示例中，姿态探头1还可以设置有电量指示灯(未图示)。

在一些示例中，电量指示灯可以显示为不同的颜色以对应不同的电量的使用状况。在一些示例中，绿色可以用于表示姿态探头1的电量充足，橙色可以用于表示姿态探头1的电量需要及时补充，红色则可以用于表示姿态探头的电量严重不足且其无法进行正常工作。但本实施方式的示例不限于此，

在一些示例中，姿态探头1可以为手持式探头(未图示)。在一些示例中，姿态探头1可以为电池供电模式。由此，能够在姿态探1头电量不足时及时更换电池以使姿态探头1继续工作。

根据本公开，能够提供一种多传感方式融合的姿态探头，提高测量的精确性和操作的便利性。

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)

1.一种具有多传感器的姿态探头，所述姿态探头用于空间位置和姿态测量，其特征在于，

包括设置有位置敏感探测器的基准层、设置有空心角锥棱镜的棱镜层、以及所述基准层和所述棱镜层之间的中间层，所述位置敏感探测器设置于所述基准层的几何中心区域，所述位置敏感探测器包括感光面，所述感光面与所述空心角锥棱镜的轴线垂直，并配置为通过所述感光面以检测光束相对于感光面的移动距离并输出电压信号，所述棱镜层设置有配置为指示所述姿态探头的姿态的指示单元，所述指示单元包括多个白色指示单元和多个黑色指示单元，所述白色指示单元和所述黑色指示单元配置为不在同一平面上，所述中间层包括设置有第一通孔的小孔板，所述姿态探头接收光束时，光束通过所述第一通孔到达所述感光面。

2.根据权利要求1所述的姿态探头，其特征在于，

在所述棱镜层还设置有倾斜传感器，所述倾斜传感器配置为用于测量所述姿态探头在重力方向上的位置变化。

3.根据权利要求1所述的姿态探头，其特征在于，

所述指示单元配置为通过激光跟踪仪摄像对其进行检测定位以获得所述姿态探头的姿态。

4.根据权利要求1所述的姿态探头，其特征在于，

所述基准层具有安装面和基准面，所述位置敏感探测器以所述感光面和所述安装面平行的方式设置于所述安装面，所述安装面与所述基准面平行。

5.根据权利要求1所述的姿态探头，其特征在于，

所述空心角锥棱镜由三片平面反射镜两两垂直组合形成，且所述空心角锥棱镜的顶部位于所述中间层且所述空心角锥棱镜的主体部分位于所述棱镜层。

6.根据权利要求5所述的姿态探头，其特征在于，

在所述空心角锥棱镜的顶部设置有第二通孔以使经过所述空心角锥棱镜的光束通过第二通孔和所述第一通孔射入所述位置敏感探测器，所述第二通孔和所述第一通孔的大小相匹配。

7.根据权利要求6所述的姿态探头，其特征在于，

在所述中间层内形成有以所述第二通孔为顶点的圆锥形的立体空间。

8.根据权利要求4所述的姿态探头，其特征在于，

所述基准层包括至少三个支撑部，通过调整所述支撑部的高度以使所述感光面与所述基准面的平行度小于预设值。

9.根据权利要求2所述的姿态探头，其特征在于，

所述倾斜传感器为二维重力倾斜传感器。

10.一种坐标测量***，其特征在于，

包括坐标测量装置和权利要求1至9所述的姿态探头，所述坐标测量装置被配置为发射光束到所述姿态探头并接收经由所述姿态探头反射的光束。

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