CN1846148B - 自补偿激光*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于补偿坐标测量机的设备和方法，其可以是基于激光的坐标测量机、激光***或其他坐标测量设备。在一示例性方法中，这种补偿包括借助于内嵌的***目标的有效载荷参数自补偿。在另一示例性实施例中，这种补偿包括借助于内嵌的温度传感器的有效载荷、方位杆、轴或RO参数的自补偿。

Description

自补偿激光***

技术背景

本发明公开的内容涉及坐标测量设备。一套坐标测量设备属于一类通过发射激光束到点而测量该点坐标的仪器。激光束可以直接照射到该点上或可以照射到与该点接触的后向反射器目标上。在任一情况下，仪器通过测量到目标的距离和两个角度确定点的坐标。距离用距离测量设备测量，如绝对测距仪或干涉仪。角度用角度测量设备测量，如角编码器。仪器内部的万向光束操纵机构使激光束照射到感兴趣的点上。确定点的坐标的示例***在布朗(Brown)等的美国专利4,790,651和劳(Lau)等的美国专利4,714,339中进行了描述。

激光***是一类特殊的坐标测量设备，其以所发射的一个或多个激光束跟踪后向反射器目标。与激光***密切相关的设备是激光扫描器。激光扫描器分步发射一个或多个激光束到漫射表面上的点。激光***和激光扫描器都是坐标测量设备。目前常用的术语激光***也指具有距离和角度测量能力的激光扫描器设备。激光***包括激光扫描器的这种广义定义，贯穿本申请使用。

补偿参数是存储在***可访问的软件或固件中的数值。这些数值应用于***的原始数据以提高***的精度。首先，***制造商通过执行称为补偿程序的测量找到补偿参数。然后，***将在用户的地点使用进行测量。***将通过定期执行临时测试而检查精度。如果精度不合格，***操作员将在工厂执行一个或多个补偿程序。这些将耗费几分钟到一个或更多个小时，取决于特定的***和所要求的测试。在大多数情况下，虽然机械振动也是***精度降低的重要原因，但主要原因是热漂移，因此需要补偿坐标测量机的新方法。

发明内容

现有技术中的上述及其它不足被本发明的用于补偿坐标测量机的设备和方法克服或适当改善，前述设备可以是基于激光的坐标测量机、激光***或其他坐标测量设备。在一示例方法中，这样的补偿包括借助于内嵌跟踪目标进行的有效载荷(payload)参数自偿。

在另一示例性实施例中，这样的补偿包括借助于内嵌温度传感器进行的有效载荷、方位杆、轴或R0参数的自补偿。

两种方法都可以称作自补偿，因为它们是不需要人干预并不需外部目标的补偿程序。示例方法提供了一种快速、无需担心的方式来维持高***精度，即使***所在环境中的温度剧烈变化也不例外。

本领域的技术人员将从以下详细说明书和附图认识到并理解用于自补偿激光***的设备和方法的上述和其他一些特征和优点。

附图说明

参考附图，其中相同的元件在几张图中以相同的数字表示：

图1表示带有自补偿元件的示例万向光束操纵机构的透视图；及

图2表示了图1所示的万向光束操纵机构的顶部俯视图。

具体实施方式

下面将详细提及示例性实施例，其例子如附图所示。

激光***10的示例性万向光束操纵机构12如图1所示，其包括安装在方位旋转底座16上的顶点旋转支架14，顶点和方位机械轴18、20转动以使激光束指向所需方向。为了清晰和简单，在下述讨论中采用这类万向接头机构12。但是，也可使用其他类型的万向接头，且这里所描述的技术也可应用到这些其他类型的万向接头。

借助内嵌***目标的自补偿

示例性自补偿方法提供了确定四个有效载荷参数TX、TY、RX和RY的方法，这四个参数描述了激光束相对于***的万向接头点的位置和方向。万向接头点定义为***的机械枢轴点。在理想的***中，万向接头点在空间上固定，且一个(多个)激光束通过该点。在实际***中，激光束不是准确通过万向接头点而是相对于万向接头点稍有偏移。这种偏移，定义为从万向接头点到激光束的垂直距离，通过两个参数TX、TY说明。这里y沿顶点轴，x垂直于y和激光束。

而且，在理想激光***中，当顶角设置为90度时，激光束垂直于顶点和方位机械轴。在实际激光***中，激光束相对于理想条件的角偏移由RX和RY参数描述。当右手拇指指向x方向，RX方向沿手指方向。当右手拇指指向y方向，RY方向沿手指方向。

在当前示例方法中，两个内嵌目标22、24放置在激光***的主体16上，如图1和2所示。这些目标24之一是后向反射器，其可以是角锥、向后球形(retrosphere)或将返回光束发送回到其自身上的任何类型的设备。第二目标22是镜，其以这样的方式定位，当激光发射到镜上的合适位置时其能作为后向反射器。

为了确定四个参数，可以前视和后视的方式对这两个目标中的每一个进行测量。前视方式定义为***的普通工作方式。后视方式的实现是以前视方式开始，并进行下列步骤：(1)将方位轴20旋转180度；(2)旋转顶点轴18以具有负的初始顶角；及(3)开始跟踪。最后一步将使激光束移到角锥后向反射器或镜上的合适位置，从而建立回扫条件。换句话说，返回***的激光束沿着或回扫输出激光束的路径。在理想激光***中，前视方式和后视方式的内嵌目标角度测量结果将是相同的。在实际***中，这些角度将不完全相同，该差异可以用于计算四个参数。

对于这里描述的可应用的技术，必须符合两个条件：(1)机械结构必须稳定和(2)返回的激光束必须精确回扫输出激光束。

考虑第一条件，***结构的稳定性由两个参数的稳定性决定：轴不垂直度(AXNS)和轴偏移(AXOF)。在理想***中，顶点机械轴精确垂直于方位机械轴，且两轴是共面的。在实际***中，AXNS是垂直方向的角度偏离，AXOF是两机械轴之间的垂直距离。为了机械结构稳定，AXNS和AXOF参数必须稳定，或至少随时可预测。

考虑第二条件，返回激光束的精度将取决于跟踪***的稳定性和恰当补偿。进入***的返回激光部分分离并照射到位置探测器。位置探测器给出电信号，其指出激光束矩心在探测器的二维表面上的位置。如果返回的激光束准确回扫输出的激光束，它将照射到位置探测器上特定的位置，称为回扫位置。当***处于跟踪方式时，跟踪***其余的部分，包括角编码器、电机、控制电子设备和控制软件，保持激光束接近回扫位置。为了返回激光束精确回扫输出的激光束，回扫位置必须准确知晓。

通过对内嵌镜22执行后视测量得出RX和RY参数。如果前视的顶角是ZE_FS且后视的顶角是ZE_BS，则后视角将近似等于前视测量结果的负值，则两个角的和将是一个很小的值，

ΔZE＝ZE_BS+ZE_FS             (1)

RY参数由下式给出

RY＝ΔZE/2                  (2)

如果前视方位角是AZ_FS，后视方位角是AZ_BS，则后视角将比前视角大大约π弧度角。方位角的变化将是一个很小的数，

ΔAZ＝AZ_BS-π-AZ_FS          (3)

RX参数由下式给出

RX＝1/2[ΔAZ+tan^-1(cos(ZE)sin(AXNS)/sin(ZE))]    (4)

TX和TY参数通过对内嵌角锥后向反射器执行后视测量获得。如果d是从万向接头点到内嵌后向反射器的距离，TX和TY参数可从下式得出：

TX＝1/2ΔZE·d-AXOF·cos(ZE)    (5)

TY＝1/2ΔAZ·d·sin(ZE)         (6)

借助于内嵌温度传感器的自补偿

***参数的大多数变化由***内部元件的热胀冷缩引起。在示例性实施例中，嵌入在激光***结构内部的多个位置处的温度传感器监测温度变化。采集到的温度数据使补偿参数可被实时调整。对下列参数进行与温度有关的调整：(1)有效载荷，(2)方位杆，(3)轴的非垂直度，和(4)R0。

借助于温度传感器补偿有效载荷参数

参考图2，有效载荷是***内的物理结构，其由方位机械轴旋转。在一示例性实施例中，嵌入有效载荷内的一个或多个温度传感器30提供有效载荷内元件32的温度信息。这些元件32包括光学元件，如分束器和透镜，以及包括光学元件安装于其上的机械元件。

有效载荷内元件的热胀冷缩能导致四个偏移和角度参数RX、RY、TX和TY的轻微漂移。在精心制造的***中，这些参数的轻微变化正比于有效载荷温度的变化。

首先，四个角参数可以用下列两种方法之一确定：通过定点补偿或通过以内嵌镜或角锥后向反射器自补偿。上面已经讨论了以内嵌镜或角锥后向反射器自补偿的方法。定点补偿是一种可在工厂执行的测量程序，如果需要，也可在用户处执行。在这一程序中，在少数位置以前视和后视方式测量球形安装的后向反射器(SMR)。球形安装的后向反射器是金属球，角锥后向反射器安装在球内部，角锥顶点在球心位置。在补偿时，参数值记录为RX₀、RY₀、TX₀和TY₀，初始有效载荷温度记录为T_{PAYLOAD_0}。其后，随着有效载荷的温度变化至T_PAYLOAD，有效载荷温度的变化量定义为：

ΔT_PAYLOAD＝T_PAYLOAD-T_{PAYLOAD_0}    (7)

四个参数的值实时修正为

RX＝RX₀+k_RX·ΔT_PAYLOAD            (8)

RY＝RY₀+k_RY·ΔT_PAYLOAD            (9)

TX＝TX₀+k_TX·ΔT_PAYLOAD            (10)

TY＝TY₀+k_TY·ΔT_PAYLOAD            (11)

可通过将典型的***放入外壳内，继而变化温度同时以前视和后视方式测量内嵌镜和角锥后向反射器目标以监测RX、RY、TX和TY的值来确定比例常数k_RX、k_RY、k_TX和k_TY。比例常数由参数变化值除以温度变化求得。

借助于温度传感器的方位杆参数补偿

如图1和图2的示例***所示，***可以位于称为方位杆的结构底座之上。位于方位杆内部的机械轴在轴承上旋转并为***提供方位运动。示例***安装在方位杆底部。在一实施例中，***安装在直立的位置，所以方位杆的热胀使万向接头点的高度增加。

连接到方位杆的温度传感器40、42监测杆的温度。在开始测量时，方位杆的温度是T_{AZ_POST_0}。随着测量进行，温度从初始值的变化量为：

ΔT_{AZ_POST}＝T_{AZ_POST}-T_{AZ_POST_0}    (12)

对应温度的变化，万向接头点的高度变化量为：

ΔZ_GIMBAL＝k_{AZ_POST}·ΔT_{AZ_POST}    (13)

在示例***中，沿***一侧的电子设备可不均匀加热方位杆。在这种情况下，方位杆内的温度梯度会使方位杆弯曲。这种弯曲将产生两种影响。第一，将使万向接头点在垂直于方位轴的平面内移动ΔX_GIMBAL和ΔY_GIMBAL，注意方向X和Y一般不对应于前面讨论的x和y方向。第二，温度梯度将使方位杆的末端变化方向。包含顶点轴的支架安装在方位杆的端部，所以方位杆的弯曲将使激光束方向变化远离***。方位杆端部的角度方向变化记为ΔAngX_{AZ_POST}和ΔAngY_{AZ_POST}。这里ΔAngX_{AZ_POST}和ΔAngY_{AZ_POST}是当右手拇指分别指向X或Y方向时，手指弯曲给出的角度方向。与方位杆弯曲有关的参数与方位杆两对边温度的变化有关。如果在X和Y方向方位杆两边的典型温度差是ΔT_{AZ_POST_X}和ΔT_{AZ_POST_Y}，则杆的弯曲引起的变化由下式给出：

ΔX_GIMBAL＝k_{AZ_POST_X_GIMBAL}·ΔT_{AZ_POST_X}        (14)

ΔY_GIMBAL＝k_{AZ_POST_Y_GIMBAL}·ΔT_{AZ_POST_Y}        (15)

ΔAngX_{AZ_POST}＝k_{AZ_POST_X_ANGLE}·ΔT_{AZ_POST_Y}     (16)

ΔAngY_{AZ_POST}＝k_{AZ_POST_Y_ANGLE}·ΔT_{AZ_POST_X}     (17)

注意，这四个量在整个***结构的参照系内，***结构参照系相对于实验室固定。相比之下，量TX、TY、RX和RY在有效载荷的参照系内，有效载荷参照系在方位和顶点方向旋转，相对于实验室不固定。这些不同的补偿效果由首先执行从一个参照系到另一个参照系的数学变换组合而成。

式(14)-(17)中的比例常数通过变化周围环境的温度同时***反复测量四个SMR目标而得出。所有四个SMR大约位于相同的水平面。其中两个SMR相当靠近***，如从***测量，二者具有约90度的角间距。另两个SMR远离***，并具有相同的角间距。随着万向接头点的移动，四个目标的指示位置将发生变化。较近的目标比较远的目标相对较多受到方位杆端部的方向变化的影响，相对较少受到万向接头ΔX和ΔY移动的影响。敏感度的不同使四个比例常数可从公式中求出。

借助于温度传感器的轴非垂直度参数的补偿

之前解释过在理想***中，顶点机械轴精确垂直于方位机械轴。在实际***中，垂直方向的角偏移称为轴非垂直度。在目标位置的计算中，轴非垂直度的影响由轴非垂直度(AXNS)参数消除。在精心制造的激光***中，轴非垂直度是稳定的，相对不受周围空气温度的影响。但是，需要相对大的电机以获取快速顶点移动。这种电机安装在顶点机械轴上，且如果在一个持续期间执行快速移动则可以产生相当多的热量。这种热量可以使靠近方位轴一端处热胀。这会导致顶点机械轴的移动，结果AXNS参数发生改变。考虑AXNS参数的实时变化，温度传感器44、46放置在顶点轴的两端。这些温差称作ΔT_{ZE_AXIS}，且相应的AXNS参数的变化量为：

ΔAXNS＝k_AXNS·ΔT_{ZE_AXIS}         (18)

为了得出式中的比例常数k_AXNS，监测温差ΔT_{ZE_AXIS}的同时测量AXNS参数的变化。如果有效载荷参数TX、TY、RX和RY已准确得知，则AXNS参数能够很容易通过以前视和后视方式在三个距***不同的距离简单地测量SMR确定。例如，SMR可以放置在距***2、4和6米的粘附在地面上的磁套里。如前所述，有效载荷参数可借助于***上的镜和角锥后向反射器精确确定，所以三目标方法是一个好方法。更精确确定AXNS参数的方法建立固定物以在垂直平面内的半圆形中保持几个SMR与***等距。再以前视和后视方式测量目标。这种方法的优点是使AXNS参数的计算独立于RX、RY、TX和TY。然而，因为不需特殊固定物就能精确确定AXNS参数，所以通常首选使用三个地面目标的方法。

与AXNS参数紧密相关的参数是AXOF参数。如前所述，在理想***中，方位和顶点机械轴是共面的。在实际***中，AXOF是两机械轴之间的垂直距离。补偿AXOF以实时说明温度变化是可能的。但是，在精心制造的***中，AXOF参数是很小的，或许10微米，参数变化对温度变化比较不敏感。由于这一原因，通常不需实时补偿AXOF参数。

借助于温度传感器的R0参数补偿

参数R0定义为从万向接头点到***原始位置的距离。原始位置26固定在严密粘附于***结构的磁套处。在示例***中，磁套靠近***下部放置，这样***的角范围不会被挡住。R0参数的值通过补偿程序在工厂或用户地点确定。在该程序中，两个磁套粘附在仪器架上，仪器架的高度可调整，这样位于这些磁套内的SMR中心的高度与***的万向接头点的高度相同。首先，***直接与两个仪器架成直线放置，但是位于两仪器架之外。***测量到位于第一磁套内和第二磁套内的SMR的距离。这两个SMR位置间的距离差是两个SMR间的真实距离。接着，***与两个仪器架成直线移动，但是在两个仪器架之间。***再次测量到位于两个磁套中的每一个SMR的距离。在理想***中，用***测量的两个仪器架之间距离的和精确地等于用***测量的两个仪器架之外的距离。两个值之间的差异用于修正R0的值。

在执行R0补偿程序时，R0的初始值R0₀和表示万向接头点和原始点之间路径的初始温度T_{R0_0}由至少一个温度传感器48记录。为了实时修正R0，从当前温度T_R0中减去初始温度以获得温度差：

ΔT_R0＝T_R0-T_{R0_0}    (19)

R0的变化量由下式给出：

ΔR0＝k_R0·ΔT_R0    (20)

在工厂通过将SMR放置在原始位置并在***内使用干涉计或绝对距离计监测到SMR距离的变化是温度T_R0的函数而得出比例常数k_R0。

虽然只提及了温度传感器的示例性放置，但是应该注意在***内或***上对提供与被测参数有关的温度变化的指示有效的任何放置均包含于此。

此外，在示例性实施例已经在此展示和描述的同时，不背离本发明的实质和范围的对用于激光***自补偿的设备和方法的各种修改与变化对本领域的技术人员是显而易见的。因此，应理解已描述的各种实施例是作为说明而不是限定。

Claims (7)

1.发射激光束的自补偿激光***，包括：

发射激光束的激光源；

激光***内部的顶点机械轴；

激光***内部的方位机械轴，顶点机械轴和方位机械轴转动成使激光束指向所需方向；

方位旋转底座；

安装在方位旋转底座上的后向反射器，该后向反射器将所述激光束作为返回激光束发送回到其自身上；

安装在方位旋转底座上的镜，该镜定位成当激光束发送到镜上的适当位置时用作后向反射器；及

其中激光***用于：(1)以前视方式和后视方式测量到所述镜的距离；(2)使用前视和后视测量结果计算激光束相对于理论理想值的角偏移；(3)以后视方式测量到后向反射器的距离；及(4)计算激光束相对于激光***万向接头点的偏移。

2.根据权利要求1的自补偿激光***，还包括安装在方位旋转底座上的顶点旋转支架。

3.激光***的自补偿方法，包括：

利用激光***源以前视方式测量到固定于或嵌入在***支架内的第一反射目标的距离；

利用激光***源以后视方式测量到固定于或嵌入在***支架内的第一反射目标的距离；

使用第一反射目标的前视和后视测量结果计算激光束相对于理论理想值的角偏移；

利用激光***源以后视方式测量到固定于或嵌入在***支架内的第二反射目标的距离；及

计算激光束相对于激光***万向接头点的偏移。

4.根据权利要求3的自补偿方法，其中所述第一反射目标是镜。

5.根据权利要求3的自补偿方法，其中所述第二反射目标是后向反射器。

6.根据权利要求3的自补偿方法，其中所述角偏移由参数RX和RY描述，参数根据下式计算：

RY＝ΔZE/2；及

$\mathrm{RX}=1/2[\mathrm{\ΔAZ}+{\tan }^{-1}(\cos \left(\mathrm{ZE}\right)\sin \left(\mathrm{AXNS}\right)/\sin \left(\mathrm{ZE}\right))];$

其中ΔZE＝ZE_BS+ZE_FS及ΔAZ＝AZ_BS-π-AZ_FS；及

其中RX和RY为激光束的角偏移参数，ZE_BS为后视顶角，ZE_FS为前视顶角，AZ_BS为后视方位角，AZ_FS为前视方位角，ZE为顶角，及AXNS为轴不垂直度参数。

7.根据权利要求3的自补偿方法，其中所述偏移由参数TX和TY描述，参数根据下式计算：

$\mathrm{TX}=1/2\mathrm{\ΔZE}\·d-\mathrm{AXOF}\·\cos \left(\mathrm{ZE}\right)$ ；及

$\mathrm{TY}=1/2\mathrm{\ΔAZ}\·d\·\sin \left(\mathrm{ZE}\right)$ ；

其中ΔZE＝ZE_BS+ZE_FS及ΔAZ＝AZ_BS-π-AZ_FS；及

其中TX和TY为激光束的偏移参数，ZE_BS为后视顶角，ZE_FS为前视顶角，AZ_BS为后视方位角，AZ_FS为前视方位角，ZE为顶角，d是从万向接头点到内嵌后向反射器的距离，及AXOF为轴偏移。

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