姿态检测系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种智能制造装备产业，具体涉及一种姿态检测系统。


背景技术：

2.在精密工业以及测量领域，人们对设备进行装配的时候，经常需要利用精密仪器对组装的目标物进行测试以提高装配精度，在完成设备的装配后，也需要对机器进行校准。在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，还需要对它们的姿态进行测量，因此需要一种能够同时测量目标的三维坐标和姿态的姿态检测装置。
3.常用的姿态检测装置包括用于发射和接收激光束的跟踪头以及设置在工件的并用于反射激光束的探头，利用激光束测量探头的三维坐标，并利用设置在探头上的光源获取探头的姿态。例如，申请号为cn201380056849.4的中国专利公开了一种用于确定对象的取向的方法和装置，在辅助测量对象(也即探头)的方向上捕获具有相应可捕获的光点的图像，并且利用图像分析从图像中捕获的光点在图像中的图像位置推导辅助测量对象的空间取向。然而，在该方案中，需要利用变焦镜头捕获光点的图像，当探头与跟踪头的之间的距离过大时(例如超过30米)，图像的精度会下降，难以获得精确的探头的姿态。因此，可以通过激光束在不同坐标系中的方向向量和不同坐标系的变换关系建立等式，并计算出探头的姿态，然而，现有的跟踪头和探头并不适用于该方法。


技术实现要素：

4.本公开是有鉴于上述的状况而提出的，其目的在于提供一种能够令激光发射单元对准探头的同时令探头对激光发射单元，从而能够利用激光发射单元的旋转角度或靶标的旋转角度表示激光束的方向向量并建立等式计算目标的姿态的姿态检测系统。
5.为此，本公开的提供了一种姿态检测系统，是用于获得目标的姿态的姿态检测系统，包括：激光跟踪仪和与设置于所述目标的探头，所述激光跟踪仪包括：配置为发射激光束的激光发射单元、配置为控制所述激光发射单元的发射方向以使所述激光发射单元跟踪所述探头的第一跟踪控制单元以及配置为测量所述激光发射单元的旋转角度的跟踪头角度测量单元；所述探头包括：配置为反射激光束或发散光束的并具有通孔的靶标、配置为控制所述靶标沿两个不同方向旋转以使所述靶标对准所述激光发射单元的第二跟踪控制单元以及配置为测量所述靶标的旋转角度的探头角度测量单元。在这种情况下，能够利用第一跟踪控制单元控制激光发射单元跟踪探头，进而对准探头，同时，能够利用跟踪头角度测量单元测量激光发射单元的旋转角度，进而能够基于激光发射单元的旋转角度获得激光束在激光跟踪仪设备坐标系的方向向量，同时能够利用第二跟踪控制单元控制靶标沿两个不同方向旋转并对准激光发射单元，不仅能够扩大探头的能够接收的激光束的入射角度范围。由于靶标对准激光发射单元时，激光束的垂直于靶标的入射平面，因此能够基于靶标的旋转角度获得激光束在靶标坐标系的方向向量。
6.另外，在本公开的所涉及的姿态检测系统中，可选地，所述第一跟踪控制单元包括
控制所述激光发射单元沿第一方向旋转的第一旋转机构和控制所述激光发射单元沿第二方向旋转的第二旋转机构，所述第一旋转机构包括第一旋转轴、第一轴承、设置于所述第一旋转轴的第一旋转底盘和设置于所述第一旋转底盘的至少一个第一支撑臂，所述第一旋转轴通过所述第一轴承设置于所述激光跟踪仪的底座，所述第二旋转机构包括连接测量主机的第二旋转轴和将所述第二旋转轴设置于所述第一支撑臂的第二轴承。在这种情况下，通过驱动第一旋转轴进行旋转能够带动设置于第一旋转轴的第一旋转底盘沿第一方向旋转，进而能够带动设置于第一支撑臂的测量主机和位于测量主机的激光发射单元沿第一方向旋转。同时能够利用二旋转轴带动测量主机沿第二方向旋转，进而能够利用第二旋转机构驱动位于测量主机的激光发射单元沿第二方向旋转。
7.另外，在本公开的所涉及的姿态检测系统中，可选地，所述激光跟踪仪包括跟踪头角度测量单元，所述跟踪头角度测量单元包括配置为测量所述激光发射单元沿所述第一方向旋转的旋转角度的第一跟踪头角度测量单元和配置为测量所述激光发射单元沿所述第二方向旋转的旋转角度的第二跟踪头角度测量单元。在这种情况下，能够获得激光发射单元沿第一方向旋转的旋转角度和沿第二方向旋转的旋转角度，进而能够基于激光发射单元沿第一方向旋转的旋转角度和沿第二方向旋转的旋转角度计算靶标在激光跟踪仪设备坐标系中的方位。
8.另外，在本公开的所涉及的姿态检测系统中，可选地，所述激光跟踪仪包括第一重力对齐单元，所述第一重力对齐单元配置为获取第一倾斜角度，所述第一倾斜角度配置为将所述跟踪头角度测量单元获取的第一方向信息对齐至目标坐标系，所述第一方向信息包括所述激光发射单元沿所述第一方向旋转的旋转角度和所述激光发射单元沿所述第二方向旋转的旋转角度。在这种情况下，由于利用跟踪头角度测量单元测量的激光发射单元沿第一方向旋转的旋转角度和沿第一方向旋转的旋转角度能够获得靶标在激光跟踪仪设备坐标系的具体的位置坐标，而将第一方向信息对齐至目标坐标系能够获得靶标在目标坐标系的方位，进而能够计算获得靶标在目标坐标系的具体的坐标。
9.另外，在本公开的所涉及的姿态检测系统中，可选地，所述激光跟踪仪包括多个激光发射单元，所述多个激光发射单元包括用于绝对测距的第一激光发射单元和用于干涉测距的第二激光发射单元，所述第一激光发射单元配置为发出第一激光束，所述第二激光发射单元配置为发出第二激光束，第二激光束依次经过分光单元和反射单元并达到合束单元，第一激光束的光路与第二激光束的光路通过合束单元耦合，并从所述激光跟踪仪射出，令所述探头反射的第二激光束为第二反射激光束，所述分光单元配置为接收第二反射激光束光并将第二反射激光束的反射至第一位置传感单元，所述第一位置传感单元配置为接收经由所述探头反射的第二反射激光束以判断所述激光发射单元是否对准所述靶标。在这种情况下，能够使绝对测距模块的测量位置与干涉测距模块的测量位置重合，并利用绝对测距模块和干涉测距模块配合获得靶标的位置坐标。
10.另外，在本公开的所涉及的姿态检测系统中，可选地，所述激光跟踪仪包括配置为发射发散光束的发光单元、以及配置为接收经由所述探头反射的发散光束的目标捕获单元，所述第一跟踪控制单元配置为基于所述目标捕获单元获取的发散光束控制所述激光发射单元的姿态以使所述激光发射单元对准所述靶标。在这种情况下，通过发光单元发射的发散光束，目标捕获单元能够快速地获得靶标反射的包含靶标的位置信息的发散光束，由
此能够确定靶标的初步位置，并通过第一跟踪控制单元控制激光发射单元的姿态以使激光发射单元发射的激光束靠近靶标并实行初步捕获。
11.另外，在本公开的所涉及的姿态检测系统中，可选地，所述第二跟踪控制单元包括控制所述靶标沿第三方向旋转的第三旋转机构和控制所述靶标沿第四方向旋转的第四旋转机构，所述第三旋转机构包括第三旋转轴、第三旋转底盘和设置于所述第三旋转底盘的至少一个第三支撑臂，所述靶标设置于所述第三支撑臂。在这种情况下，能够利用第三旋转轴旋转带动第三支撑臂绕第三旋转轴旋转，进而能够利用第三支撑臂带动靶标绕第三旋转轴旋转。
12.另外，在本公开的所涉及的姿态检测系统中，可选地，所述探头角度测量单元包括配置为测量所述靶标沿所述第三方向旋转的旋转角度的第一探头角度测量单元和配置为测量所述靶标沿所述第四方向旋转的旋转角度的第二探头角度测量单元。在这种情况下，能够获得靶标沿第三方向旋转的旋转角度和沿第四方向旋转的旋转角度，进而能够基于靶标沿第三方向旋转的旋转角度和沿第四方向旋转的旋转角度计算激光束在靶标坐标系中的方向向量。
13.另外，在本公开的所涉及的姿态检测系统中，可选地，所述探头包括将所述探头设置于所述目标的探头安装座和设置于所述探头安装座的第二重力对齐单元，所述第二重力对齐单元配置为获取所述探头的第二倾斜角度，所述第二倾斜角度配置为计算靶标坐标系和目标坐标系之间的变换关系，所述第二重力对齐单元包括第一倾角仪和第二倾角仪，所述第一倾角仪的安装方向与所述第三旋转机构的旋转轴的延伸方向垂直，所述第二倾角仪的安装方向与所述第四旋转机构的旋转轴的延伸方向平行，所述第一倾角仪的安装方向与所述第二倾角仪的安装方向垂直。在这种情况下，由于第二重力对齐单元的敏感轴与的第二跟踪控制单元的旋转轴相匹配，能够简化靶标坐标系和目标坐标系的变换公式，提高计算速度，并提高测量的精度。
14.另外，在本公开的所涉及的姿态检测系统中，可选地，所述靶标包括棱镜层、中间层、以及基准层，所述中间层设置于所述棱镜层和基准层之间，在所述棱镜层设置有具有切口的反射镜，在所述中间层设置有具有通孔的小孔板，在所述基准层设置有第二位置传感单元，所述第二位置传感单元配置为接收经过所述通孔的激光束。在这种情况下，能够基于激光束在第二位置传感单元的感光面所形成的第二光斑判断靶标是否对准激光发射单元。
15.根据本公开，提供一种能够令激光发射单元对准探头的同时令探头对激光发射单元，从而能够利用激光发射单元的旋转角度或靶标的旋转角度表示激光束的方向向量并建立等式计算目标的姿态的姿态检测系统。
附图说明
16.现在将仅通过参考附图的例子进一步详细地解释本公开的实施例。
17.图1是示出了本公开示例所涉及的姿态检测系统的应用场景示意图。
18.图2是示出了本公开示例所涉及的激光跟踪仪的立体示意图。
19.图3是示出了本公开示例所涉及的测量主机的光学结构示意图。
20.图4是示出了本公开示例所涉及的激光跟踪仪的平面示意图。
21.图5是示出了本公开示例所涉及的第一平面、第一方向、第一旋转轴的轴线、第二
平面、第二方向和第二旋转轴的轴线的示意图。
22.图6是示出了本公开示例所涉及的姿态检测系统的探头的示意图。
23.图7是示出了本公开示例所涉及的第三平面、第三方向、第三旋转轴的轴线、第四平面、第四方向和第四旋转轴的轴线的示意图。
24.图8是示出了本公开示例所涉及的姿态检测系统的探头在图6中的m-m'位置的剖面示意图。
25.图9是示出了本公开示例所涉及的姿态检测系统的靶标和第四旋转轴在图6中的n-n'位置的剖面示意图。
26.图10是示出了本公开示例所涉及的姿态检测系统的靶标在图6中的o-o'位置的剖面示意图。
具体实施方式
27.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。
28.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、系统、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。本公开所描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行，除非在此另有指示或者与上下文明显矛盾。
29.本公开涉及一种姿态检测系统，是用于获得目标的姿态的姿态检测系统，包括激光跟踪仪和设置于目标的探头。
30.在一些示例中，激光跟踪仪可以包括配置为发射激光束的激光发射单元、配置为控制激光发射单元的发射方向以使激光发射单元跟踪探头的第一跟踪控制单元以及配置为测量激光发射单元的旋转角度的跟踪头角度测量单元，在这种情况下，能够利用第一跟踪控制单元控制激光发射单元跟踪探头，进而对准探头，同时，能够利用跟踪头角度测量单元测量激光发射单元的旋转角度，进而能够基于激光发射单元的旋转角度获得激光束在激光跟踪仪设备坐标系的方向向量。
31.在一些示例中，探头可以包括配置为反射激光束或发散光束的并具有通孔的靶标、配置为控制靶标沿两个不同方向旋转以使靶标对准激光发射单元的第二跟踪控制单元以及配置为测量靶标的旋转角度的探头角度测量单元。在这种情况下，能够利用第二跟踪控制单元控制靶标沿两个不同方向旋转并对准激光发射单元，不仅能够扩大探头的能够接收的激光束的入射角度范围，同时由于靶标对准激光发射单元时，激光束的垂直于靶标的入射平面，因此能够基于靶标的旋转角度获得激光束在靶标坐标系的方向向量。
32.在一些示例中，能够利用激光束在激光跟踪仪设备坐标系的方向向量、激光束在靶标坐标系的方向向量和不同坐标系之间的变换关系建立等式，由此能够计算出探头的姿态，进而能够获得目标的姿态。
33.在一些示例中，目标的姿态可以是指目标在空间三个姿态角(也即欧拉角)。换言之，姿态检测系统可以用于目标的空间姿态测量，空间姿态测量对应目标的空间姿态，空间
姿态可以通过目标的欧拉角表示，欧拉角可以包括偏航角、俯仰角、和滚转角。
34.在一些示例中，可以先获得目标的滚转角和俯仰角，再基于目标的滚转角和俯仰角计算目标的偏航角。
35.在一些示例中，激光跟踪仪(或激光发射单元)对准靶标(或探头)可以以以下的方式进行理解，当靶标能够接收到激光跟踪仪发射的激光束，并且激光束至少一部分经过通孔，则可以认为激光跟踪仪对准靶标(或探头)。在激光跟踪仪具有第一位置传感单元时，靶标反射的激光束在第一位置传感单元所形成的光斑位于第一预设零点，也可以认为激光跟踪仪对准靶标(或探头)。在一些示例中，当激光束的至少一部分在靶标的第二位置传感单元形成第二光斑，也可以认为激光跟踪仪对准靶标(或探头)。
36.在一些示例中，靶标(或探头)对准激光跟踪仪(或激光发射单元)可以以以下的方式进行理解，当激光束垂直于靶标的入射平面，则可以认为靶标(或探头)对准激光跟踪仪(或激光发射单元)。在靶标具有第二位置传感单元时，靶标反射的激光束在第二位置传感单元所形成的光斑位于第二预设零点，也可以认为靶标(或探头)对准激光跟踪仪(或激光发射单元)。
37.另外，关于本公开还包括对方位的描述，例如“前”、“后”等描述。对于激光跟踪仪或其他设置于激光跟踪仪的部件或单元(例如：激光发射单元、目标捕获单元或发光单元等)，“前”可以是指激光跟踪仪对准靶标时，从激光跟踪仪指向靶标的方向；“后”可以是指激光跟踪仪对准靶标时，从靶标指向激光跟踪仪的方向。对于靶标或其他设置于靶标的部件或单元(例如：通孔或第二位置传感单元等)，“前”可以是指靶标对准激光跟踪仪时，从靶标指向激光跟踪仪的方向；“后”可以是指激光跟踪仪对准靶标时，从激光跟踪仪指向靶标的方向。
38.图1是示出了本公开示例所涉及的姿态检测系统的应用场景示意图。图2是示出了本公开示例所涉及的激光跟踪仪1的立体示意图。
39.图3是示出了本公开示例所涉及的测量主机11的光学结构示意图。图4是示出了本公开示例所涉及的激光跟踪仪1的平面示意图。图5是示出了本公开示例所涉及的第一平面s1、第一方向d1、第一旋转轴1311的轴线a1、第二平面s2、第二方向d2和第二旋转轴1321的轴线a2的示意图。
40.在一些示例中，参见图1，在使用姿态检测系统时，激光跟踪仪1可以与探头2独立地设置。在一些示例中，激光跟踪仪1可以设置于地面，探头2可以设置于目标。在这种情况下，能够利用设置于地面的激光跟踪仪1捕获探头2的空间位置。
41.在一些示例中，参见图2，激光跟踪仪1可以包括测量主机11，测量主机11可以包括壳体和配置为容纳部件的空腔。在一些示例中，空腔可以是通过壳体所形成的内部腔室。在这种情况下，能够利用壳体保护部件。在一些示例中，设置于内部腔室的部件可以包括激光发射单元12、第一位置传感单元116和目标捕获单元15中的至少一个。
42.在一些示例中，参见图3，壳体可以包括透光口和设置于透光口的窗口片115。在这种情况下，能够通过透光口发射和接收激光束进而能够获取探头2的空间位置。
43.在一些示例中，参见图3，激光跟踪仪1可以包括激光发射单元12，激光发射单元12可以配置为发射激光束。在一些示例中，激光发射单元12可以为氦氖激光器或固体激光器。
44.在一些示例中，激光发射单元12发射的激光束可以通过反射单元111或合束单元
112等光学元件发射至窗口片115，并在窗口片115从测量主机11射出。在一些示例中，激光发射单元12发射的激光束也可以耦合至光纤，并通过光纤发射至多个光学元件，并最终发射至窗口片115。
45.在一些示例中，反射单元111可以通过反射的方式改变光束的传播方向。在一些示例中，反射单元111可以为反射镜。在一些示例中，合束单元112可以令光束反射或折射。在一些示例中，为二向色镜(dichroic mirrors)。
46.在一些示例中，激光跟踪仪1可以包括多个激光发射单元12。具体而言，多个激光发射单元12可以包括用于绝对测距的第一激光发射单元和用于干涉测距的第二激光发射单元。换言之，激光跟踪仪1可以包括绝对测距模块113和干涉测距模块114。在这种情况下，能够同时利用绝对测距模块113和干涉测距模块114配合获得靶标21的位置坐标，提高测量的精度。同时，相对于只用绝对测距模块113测量距离，干涉测距模块114具有更快的测距速度，因此还能够提高测量的速度。在一些示例中，可以利用绝对测距模块113和干涉测距模块114获得激光跟踪仪1的机械零点到角锥中心的距离，再根据跟踪头角度测量单元获得的激光跟踪仪1旋转的角度计算目标的位置坐标。
47.在一些示例中，第一激光发射单元可以配置为发出第一激光束，第二激光发射单元可以配置为发出第二激光束，第一激光束的光路与第二激光束的光路可以通过合束单元112耦合。具体而言，第一激光束在合束单元112的透射光和第二激光束在合束单元112的反射光可以合并，并共同地从测量主机11发射出。在这种情况下，由于第一激光束与第二激光束合并，能够使绝对测距模块113的测量位置(第一激光束在靶标21反射的位置)与干涉测距模块114的测量位置(第二激光束在靶标21反射的位置)重合，进而能够提高测量靶标21的位置坐标的精度。
48.在一些示例中，参见图2，激光跟踪仪1可以包括第一跟踪控制单元13，第一跟踪控制单元13可以配置为控制激光发射单元12的发射方向以使激光发射单元12跟踪探头2。
49.在一些示例中，参见图4和图5，第一跟踪控制单元13可以包括控制激光发射单元12沿第一方向d1旋转的第一旋转机构131。在这种情况下，能够利用第一旋转机构131控制激光发射单元12沿第一方向d1旋转以在第一方向d1跟踪靶标21。
50.在一些示例中，参见图4和图5，第一跟踪控制单元13可以包括控制激光发射单元12沿第二方向d2旋转的第二旋转机构132。在这种情况下，能够利用第二旋转机构132控制激光发射单元12沿第二方向d2旋转以在第二方向d2跟踪靶标21。
51.在一些示例中，参见图5，激光发射单元12沿第一方向d1旋转可以是指激光发射单元12在第一平面s1内旋转，第一平面s1与第一旋转轴1311垂直，此时激光发射单元12可以绕第一旋转轴1311进行旋转。在一些示例中，第一平面s1可以是水平面。换言之，激光发射单元12沿第一方向d1旋转时，第一旋转轴1311可以垂直于水平面。在一些示例中，激光发射单元12在水平面内旋转，第一旋转轴1311也可以称为水平旋转轴。
52.在一些示例中，参见图5，激光发射单元12沿第二方向d2旋转可以是指激光发射单元12可以在第二平面s2内旋转，第二平面s2与第二旋转轴1321垂直，第二平面s2与第一平面s1不重合且不平行，此时激光发射单元12可以绕第二旋转轴1321进行旋转，其中，第一旋转轴1311可以与第二旋转轴1321垂直。在一些示例中，第二平面s2可以是竖直面，激光发射单元12在竖直面内旋转时，第二旋转轴1321也可以称为俯仰旋转轴。
53.需要说明的是，由于可能存在加工误差和装配误差，本文中所涉及的平行、垂直或相交等位置关系，并非限定两个物件必须处于没有误差的完美的平行、垂直或相交等位置关系，而是指在一定的误差范围内，能够认为两个物件处于平行、垂直或相交等位置关系。
54.在一些示例中，第一旋转轴1311的轴线a1可以与第二旋转轴1321的轴线a2相交(参见图5)。在一些示例中，第一旋转轴1311为水平旋转轴且第二旋转轴1321为俯仰旋转轴时，水平旋转轴的轴线可以与俯仰旋转轴的轴线相交。在这种情况下，能够将水平旋转轴与俯仰旋转轴的交点作为激光跟踪仪设备坐标系的原点，从而能够简化运算，提高计算速度，同时能够降低出现计算错误的情况，提高计算的准确性。
55.在一些示例中，激光跟踪仪设备坐标系可以是以第一旋转轴1311的轴线a1与第二旋转轴1321的轴线a2的交点为原点，以第一旋转轴1311的轴线a1的方向为z轴方向，以第二旋转轴1321的轴线a2的方向为y轴方向，以垂直与第一旋转轴1311的轴线a1和第二旋转轴1321的轴线a2的方向为x轴方向的坐标系。
56.在一些示例中，参见图4，第一旋转机构131可以包括第一旋转轴1311、第一轴承、第一旋转底盘1313和设置于第一旋转底盘1313的至少一个第一支撑臂1312。在一些示例中，测量主机11可以设置于第一支撑臂1312。在一些示例中，第一旋转机构131可以包括两个第一支撑臂1312，测量主机11可以设置于第一支撑臂1312之间。
57.在一些示例中，第一旋转机构131可以控制测量主机11沿第一方向d1旋转以使位于测量主机11内的激光发射单元12沿第一方向d1旋转。在一些示例中，第一旋转底盘1313可以设置于第一旋转轴1311，第一旋转轴1311可以通过第一轴承设置于激光跟踪仪1的底座16。在这种情况下，通过驱动第一旋转轴1311进行旋转能够带动设置于第一旋转轴1311的第一旋转底盘1313沿第一方向d1旋转，进而能够带动设置于第一支撑臂1312的测量主机11和位于测量主机11的激光发射单元12沿第一方向d1旋转。
58.在一些示例中，第二旋转机构132可以设置于第一旋转机构131的第一支撑臂1312并可以驱动第二旋转轴1321沿第二方向d2旋转。
59.在一些示例中，第二旋转机构132可以与测量主机11联动。在这种情况下，能够利用第二旋转机构132驱动位于测量主机11的激光发射单元12沿第二方向d2旋转。在一些示例中，第二旋转机构132可以包括连接测量主机11的第二旋转轴1321和将第二旋转轴1321设置于第一支撑臂1312的第二轴承。在这种情况下，能够利用二旋转轴带动测量主机11沿第二方向d2旋转，进而能够利用第二旋转机构132驱动位于测量主机11的激光发射单元12沿第二方向d2旋转。
60.在一些示例中，第一跟踪控制单元13可以配置为基于第一位置传感单元116获取的传感信息控制激光发射单元12的姿态以使激光发射单元12对准靶标21。具体而言，在第一位置传感单元116中，若第一光斑远离了第一预设零点，则可以认为激光发射单元12没有对准靶标21，可以基于第一光斑和第一预设零点之间的相对位置计算激光发射单元12的姿态调整方式。在这种情况下，能够基于计算结果令第一跟踪控制单元13控制激光发射单元12跟踪靶标21，同时，由于第一位置传感单元116的精度较高，能够实现姿态检测系统的精细瞄准。
61.在一些示例中，第一跟踪控制单元13可以配置为基于目标捕获单元15获取的发散光束控制激光发射单元12的姿态以使激光发射单元12对准靶标21。具体而言，发光单元14
(稍后描述)可以发射发散光束，靶标21反射发散光束后，目标捕获单元15可以接收靶标21反射的发散光束，并基于靶标21反射的发散光束的光斑的质心的位置初步地确定激光发射单元12是否对准了靶标21，也即激光跟踪仪1初步捕获靶标21。在这种情况下，能够快速地判断激光发射单元12是否捕获靶标21，进而能够快速控制激光发射单元12发射的激光束的方向以使激光束逐渐靠近靶标21。
62.在一些示例中，第一跟踪控制单元13也可以是任意能够改变激光发射单元12的姿态的人或物，具体而言，改变激光发射单元12的姿态的方式可以是自动的，也可以是人为手动的。
63.在一些示例中，参见图3，激光跟踪仪1也可以包括第一位置传感单元116，经过探头2反射后的激光束可以称为反射激光束，经过探头2反射后的第一激光束可以称为第一反射激光束，经过探头2反射后的第二激光束可以称为第二反射激光束，第一位置传感单元116可以配置为接收经由探头2反射的激光束。
64.在一些示例中，参见图3，第二激光束可以依次经过分光单元117和反射单元111并达到合束单元112。在一些示例中，分光单元117可以配置为接收第二反射激光束光并将第二反射激光束的反射至第一位置传感单元116。在这种情况下，能够接收第二反射激光束，并利用第一位置传感单元116获取第二反射激光束的光斑位置。
65.在一些示例中，第一位置传感单元116可以具有感光面，第一位置传感单元116接收反射激光束后，可以基于反射激光束在第一位置传感单元116的感光面所形成的第一光斑判断激光发射单元12是否对准探头2。
66.在一些示例中，第一位置传感单元116可以记录第一光斑在第一位置传感单元116的感光面的位置。在这种情况下，能够基于第一光斑在第一位置传感单元116的感光面的位置计算激光发射单元12的姿态调整方式。在一些示例中，可以基于第一光斑和第一位置传感单元116的第一预设零点之间的相对位置确定激光发射单元12的姿态调整方式，第一预设零点可以位于激光发射单元12对准靶标21时第一光斑的位置。在这种情况下，能够令靶标21反射的激光束持续地对准第一位置传感单元116中的固定点或伺服零点(也即第一预设零点)。需要说明的是，第一光斑和第一位置传感单元116的第一预设零点之间的相对位置可以是指第一光斑相对于第一预设零点的位置。
67.在一些示例中，第一位置传感单元116可以用于姿态检测系统的精细瞄准，精细瞄准可以是指激光发射单元12以较高的精度对准靶标21。在一些示例中，精细瞄准可以是指利用第一位置传感单元116接收靶标21反射的激光束，并基于靶标21反射的激光束在第一位置传感单元116形成的第一光斑的位置确定激光发射单元12是否以较高的精度对准靶标21，并基于第一光斑的位置控制激光发射单元12的姿态。在这种情况下，由于第一位置传感单元116接收靶标21反射的激光束，同时本身具有较高的精确性和敏感性，因此能够以较高的精度控制激光发射单元12对准并实时跟踪靶标21。
68.在一些示例中，第一位置传感单元116可以是位置传感器(position sensitive detector，psd)或ccd(charge coupled device)相机。
69.在一些示例中，参见图3，激光跟踪仪1可以包括发光单元14和目标捕获单元15，发光单元14可以配置为发射发散光束，目标捕获单元15可以配置为接收经由探头2反射的发散光束。在这种情况下，通过发光单元14发射的发散光束，目标捕获单元15能够快速地获得
靶标21反射的包含靶标21的位置信息的发散光束，由此能够确定靶标21的初步位置，并通过第一跟踪控制单元13控制激光发射单元12的姿态以使激光发射单元12发射的激光束靠近靶标21并实行初步捕获。
70.在一些示例中，参见图5，目标捕获单元15可以设置于壳体表面，目标捕获单元15也可以设置于壳体所形成的内腔中，并且，在壳体可以设置有允许靶标21反射的发散光束通过的通光孔或透镜组件118。
71.在一些示例中，发光单元14可以是led灯，目标捕获单元15可以是cmos感光元件，例如可以是cmos图像传感器。在另一些示例中，发光单元14可以是ccd感光元件。
72.在一些示例中，可以令发散光束在目标捕获单元15上所形成的光斑为目标捕获光斑，基于目标捕获光斑和目标捕获零点之间的相对位置计算激光发射单元12的姿态调整方式，目标捕获零点可以位于激光发射单元12对准靶标21时各个发光单元14所形成的目标捕获光斑的位置，目标捕获光斑和目标捕获零点之间的相对位置可以是指目标捕获光斑相对于目标捕获零点的位置。
73.在一些示例中，参见图3，透镜组件118可以设置于目标捕获单元15的前方。由此，被标靶反射的发散光束能够过透镜组件118并在目标捕获单元15形成目标捕获光斑，通过透镜组件118聚焦后，能够在目标捕获单元15上形成清晰的目标捕获光斑。在一些示例中，透镜组件118的光轴的方向可以与激光束从测量主机11出射的方向相同。
74.在一些示例中，激光跟踪仪1可以包括跟踪头角度测量单元，跟踪头角度测量单元可以配置为测量激光发射单元12在第一跟踪控制单元13的控制下的旋转角度。在这种情况下，能够获得激光发射单元12的旋转角度，进而能够基于激光发射单元12的旋转角度和激光发射单元12与靶标21之间的距离计算靶标21的空间位置。
75.在一些示例中，跟踪头角度测量单元可以包括配置为测量激光发射单元12沿第一方向d1旋转的旋转角度的第一跟踪头角度测量单元。在一些示例中，跟踪头角度测量单元还可以包括配置为测量激光发射单元12沿第二方向d2旋转的旋转角度的第二跟踪头角度测量单元。在这种情况下，能够获得激光发射单元12沿第一方向d1旋转的旋转角度和沿第二方向d2旋转的旋转角度，进而能够基于激光发射单元12沿第一方向d1旋转的旋转角度和沿第二方向d2旋转的旋转角度计算靶标21在激光跟踪仪设备坐标系中的方位，结合距离测量模块(例如绝对测距模块113和/或干涉测距模块114)获取的靶标21的距离，进而可以计算获得靶标21在激光跟踪仪设备坐标系的具体的位置坐标。
76.在一些示例中，激光跟踪仪1可以包括第一重力对齐单元，在一些示例中，第一重力对齐单元可以配置为将基于跟踪头角度测量单元获取的第一方向信息对齐至目标坐标系。在一些示例中，第一方向信息可以包括激光发射单元12沿第一方向d1旋转的旋转角度和沿第二方向d2旋转的旋转角度。在一些示例中，第一重力对齐单元可以通过测量激光跟踪仪1、测量主机11、激光发射单元12、或第一平面s1相对于水平面的倾斜角度作为第一倾斜角度。换言之，第一重力对齐单元可以配置为获取第一倾斜角度，第一倾斜角度可以配置为将跟踪头角度测量单元获取的第一方向信息对齐至目标坐标系。其中，对齐可以是指通过坐标变换的方式，基于一个坐标系中的向量计算该向量在另一个坐标系中的表示。在这种情况下，由于利用跟踪头角度测量单元测量的激光发射单元12沿第一方向d1旋转的旋转角度和沿第一方向d1旋转的旋转角度能够获得靶标21在激光跟踪仪设备坐标系的具体的
位置坐标，而将第一方向信息对齐至目标坐标系能够获得靶标21在目标坐标系的方位，进而能够计算获得靶标21在目标坐标系的具体的坐标。
77.在一些示例中，目标坐标系可以是基于重力方向建立的坐标系，例如，在目标坐标系的正交轴中，z轴可以与重力方向平行，x轴和y轴可以与重力方向垂直。在这种情况下，能够基于不同的坐标系(例如激光跟踪仪设备坐标系和靶标坐标系)和重力的关系将各个坐标系的空间位置对齐至目标坐标系，在实际的过程中，需要用到激光束在不同目标坐标系的方向向量以及不同目标坐标系的方向向量之间的变换关系计算目标的偏航角，同时，难以直接获得激光跟踪仪设备坐标系与靶标坐标系的变换关系，将第一方向信息对齐至目标坐标系，并利用第二倾斜角度表示目标坐标系与靶标坐标系之间的变换关系，能够建立关于激光束的方向向量的等式，进而能够通过等式求解出偏航角。
78.在一些示例中，第一方向信息对齐至目标坐标系也可以称为对第一方向信息进行重力对齐。
79.在一些示例中，以第一重力对齐单元可以包括两个单轴加速度计，并且两个单轴加速度计的敏感轴正交为例，第一重力对齐单元可以包括单轴加速度计a和单轴加速度计b，其中，单轴加速度计a的敏感轴和单轴加速度计b的敏感轴可以在同一平面内，单轴加速度计a的敏感轴和单轴加速度计b的敏感轴所在的平面可以与第一旋转轴1311垂直，单轴加速度计a的敏感轴可以与第二旋转轴1321平行，单轴加速度计b的敏感轴可以与第二旋转轴1321垂直。在这种情况下，由于第一重力对齐单元的敏感轴与的第一跟踪控制单元13的旋转轴相匹配，能够简化激光跟踪仪设备坐标系和目标坐标系的变换公式，提高计算速度，并提高测量的精度。在一些示例中，第一重力对齐单元可以设置于第一旋转机构131中。在一些示例中，第一重力对齐单元可以设置于激光跟踪仪1的其他位置，例如第一重力对齐单元可以设置于测量主机11的底部以及其他位置。
80.图6是示出了本公开示例所涉及的姿态检测系统的探头2的示意图。图7是示出了本公开示例所涉及的第三平面s3、第三方向d3、第三旋转轴2311的轴线a3、第四平面s4、第四方向d4和第四旋转轴2321的轴线a4的示意图。图8是示出了本公开示例所涉及的姿态检测系统的探头2在图6中的m-m'位置的剖面示意图。图9是示出了本公开示例所涉及的姿态检测系统的靶标21和第四旋转轴2321在图8中的n-n'位置的剖面示意图。图10是示出了本公开示例所涉及的姿态检测系统的靶标在图6中的o-o'位置的剖面示意图。
81.在一些示例中，参见图6，探头2可以包括靶标21和探头安装座22。在一些示例中，靶标21可以用于反射光束，探头安装座22可以配置为将探头2安装于目标。在这种情况下，能够通过探头安装座22将探头2固定于目标，令探头2与目标联动，进而能够基于靶标21反射的光束(包括激光束和发散光束)确定靶标21的位置和姿态，进而能够基于靶标21的位置和姿态确定目标的位置和姿态。
82.在一些示例中，靶标21可以具有通孔2122(参见图9)。在一些示例中，通孔2122可以配置为检测激光发射单元12发射的激光束是否发射至靶标21的第二位置传感单元2131(参见图9)。
83.在一些示例中，靶标21可以包括三层结构。具体而言，靶标21可以包括棱镜层211、中间层212、以及基准层213(参见图10)。在一些示例中，中间层212可以设置于棱镜层211和基准层213之间。
84.在一些示例中，参见图10，棱镜层211可以设置有具有切口的反射镜2111。具有切口的反射镜2111可以为实心角锥棱镜、空心角锥棱镜或空心光学回射器。在这种情况下，能够将激光束以与入射方向相反的方向返回到激光跟踪仪1，进而能够测量激光跟踪仪1的机械零点到角锥中心的距离，也即激光发射单元12与靶标21之间的距离。在一些示例中，机械零点可以是指激光跟踪仪设备坐标系的原点，角锥中心可以是靶标坐标系的原点，换言之，可以以机械零点为原点建立激光跟踪仪设备坐标系，可以以角锥中心为原点建立靶标坐标系。
85.在一些示例中，机械零点可以是指第一旋转轴1311和第二旋转轴1321的交点，由此能够简化运算。
86.在一些示例中，角锥中心可以是指具有切口的反射镜2111的顶点v。例如，反射镜的顶点v可以是指图10中的角锥棱镜的顶点v。在一些示例中，靶标21的位置坐标可以是指角锥中心的位置坐标。
87.在一些示例中，参见图10，切口平面sc可以平行于入射平面si，切口平面sc可以是指形成该切口的切面，入射平面si可以是指激光束入射至具有切口的反射镜2111的平面。在这种情况下，使入射的激光束的至少一部分能够透过顶点v投射到后方的第二位置传感单元2131。
88.在一些示例中，空心角锥棱镜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。
89.在一些示例中，参见图10，令空心角锥棱镜的光轴为靶标21的光轴ao，通孔2122可以位于靶标21的光轴ao上。在这种情况下，当激光发射单元12发射的激光束沿空心角锥棱镜的光轴ao入射时，也即靶标21对准激光发射单元12时，激光束能够通过通孔2122，并且会在通孔2122的后方的特定位置(例如后文所述的第二预设零点)形成特定光斑，进而能够根据通孔2122的后方的特定位置是否有光斑确定靶标21是否对准激光发射单元12。
90.在一些示例中，在中间层212可以设置有小孔板2121(参见图9和图10)，并且通孔2122可以设置于小孔板2121。在一些示例中，位于小孔板2121的通孔2122同时也可以位于具有切口的反射镜2111的顶点v。在一些示例中，通孔2122可以设置于小孔板2121且在空心角锥棱镜的光轴ao上，并且通孔2122的朝向可以在空心角锥棱镜的光轴ao上。
91.在一些示例中，通孔2122的大小可以小于激光束的截面大小，在这种情况下，能够使激光束的至少一部分通过通孔2122，并令激光束的至少一部分在通孔2122后到达基准层213形成第二光斑。
92.在一些示例中，参见图10，靶标21可以包括滤光片2123，滤光片2123可以设置于小孔板2121与第二位置传感单元2131之间。在这种情况下，能够过滤特定的波长范围(例如激光发射单元12形成的激光束的波长)以外的光，从而提升激光束方位的检测精度。
93.在一些示例中，基准层213可以设置有第二位置传感单元2131，第二位置传感单元2131可以配置为接收经过通孔2122的激光束。
94.在一些示例中，第二位置传感单元2131可以具有感光面，在一些示例中，第二位置传感单元2131的感光面可以与切口平面sc平行。在一些示例中，第二位置传感单元2131的感光面可以与入射平面si平行。在一些示例中，第二位置传感单元2131的感光面可以与靶
标21的光轴ao垂直。在这种情况下，由于感光面与靶标坐标系的两个轴垂直，能够便捷地利用第二位置传感单元2131获取的第二光斑的位置表示靶标21的姿态，进而能够简化运算。
95.在一些示例中，第二位置传感单元2131接收经过通孔2122的激光束后，可以基于激光束在第二位置传感单元2131的感光面所形成的第二光斑判断靶标21是否对准激光发射单元12。
96.在一些示例中，第二位置传感单元2131可以记录第二光斑在第二位置传感单元2131的感光面的位置。在这种情况下，能够基于第二光斑在第二位置传感单元2131的感光面的位置计算靶标21的姿态和靶标21的姿态调整方式。相对于现有技术中需要在探头2设置多个发光装置，并利用设置于激光跟踪仪1的姿态相机和变焦光学镜头获取多个发光装置在空间中的位置，再基于多个发光装置在空间中的位置计算靶标21的姿态的计算方式相比，通过第二位置传感单元2131计算靶标21的姿态和靶标21的姿态调整方式不需要在探头2设置多个发光装置，也不需要在激光跟踪仪1设置姿态相机和变焦光学镜头，能够有效降低制造成本和设计成本，而且也不会因为靶标21过远而导致姿态相机和变焦光学镜头难以对焦而导致靶标21的姿态的测量精度较低的情况。
97.在一些示例中，可以基于第二光斑和第二位置传感单元2131的第二预设零点之间的相对位置确定靶标21的姿态调整方式，第二预设零点可以位于靶标21对准激光发射单元12时第二光斑的位置。
98.在一些示例中，第二位置传感单元2131为位置传感器(position sensitive detector，psd)或ccd(charge coupled device)相机。
99.在一些示例中，参见图8，探头2可以包括第二跟踪控制单元，第二跟踪控制单元可以配置为基于第二位置传感单元2131获取的传感信息控制靶标21的姿态以使靶标21对准激光发射单元12。在这种情况下，能够利用第二跟踪控制单元驱动靶标21以使靶标21对准激光发射单元12。
100.在一些示例中，参见图7和图8，第二跟踪控制单元可以包括控制靶标21沿第三方向d3旋转的第三旋转机构231。在这种情况下，能够利用第三旋转机构231控制靶标21沿第三方向d3旋转以在第三方向d3跟踪激光跟踪仪1。
101.在一些示例中，参见图7和图8，第二跟踪控制单元可以包括控制靶标21沿第四方向d4旋转的第四旋转机构232。在这种情况下，能够利用第四旋转机构232控制靶标21沿第四方向d4旋转以在第四方向d4跟踪激光跟踪仪1。
102.在一些示例中，结合图7，靶标21沿第三方向d3旋转可以是指靶标21在第三平面s3内旋转，第三平面s3与第三旋转轴2311垂直，此时靶标21可以绕第三旋转轴2311进行旋转。
103.在一些示例中，将探头2安装于目标时，令目标上的用于安装探头安装座22的表面为安装面，则第三平面s3可以与安装面平行。换言之，第三平面s3与目标上的用于安装探头安装座22的表面为安装面相关联，当目标的姿态发生变化时，第三平面s3也可能发生变化，靶标21沿第三方向d3旋转时，第三旋转轴2311可以垂直于安装面。
104.在一些示例中，结合图7，靶标21沿第四方向d4旋转可以是指靶标21可以在第四平面s4内旋转，第四平面s4与第三平面s3不重合且不平行，并且第四平面s4与第四旋转轴2321垂直，靶标21可以绕第四旋转轴2321进行旋转。
105.在一些示例中，第四平面s4可以是与切口平面sc(或第二位置传感单元2131的感
光面)垂直的平面，换言之，第四旋转轴2321可以与切口平面sc(或第二位置传感单元2131的感光面)平行。在一些示例中，将探头2安装于目标时，令目标上的用于安装探头安装座22的表面为安装面，则第四平面s4可以与安装面垂直。换言之，第四平面s4与目标上的用于安装探头安装座22的表面为安装面相关联，当目标的姿态发生变化时，第四平面s4也可能发生变化，靶标21沿第四方向d4旋转时，第四旋转轴2321可以平行于安装面。
106.在一些示例中，第三旋转轴2311可以与第四旋转轴2321垂直。换言之，第三平面s3可以与第四平面s4垂直。
107.在一些示例中，第三旋转轴2311的轴线a3可以与第四旋转轴2321的轴线a4相交，并可以将第三旋转轴2311的轴线a3与第四旋转轴2321的轴线a4的交点作为靶标坐标系的原点。在这种情况下，能够简化运算，提高计算速度，同时能够降低出现计算错误的情况，提高计算的准确性。
108.在一些示例中，靶标坐标系可以是以第三旋转轴2311的轴线a3与第四旋转轴2321的轴线a4的交点为原点，以第三旋转轴2311的轴线a3的方向为z轴方向，以第四旋转轴2321的轴线a4的方向为y轴方向，以垂直与第三旋转轴2311的轴线a3和第四旋转轴2321的轴线a4的方向为x轴方向的坐标系。
109.在一些示例中，第三旋转轴2311的轴线a3可以与第四旋转轴2321的轴线a4相交，并可以将第三旋转轴2311的轴线a3与第四旋转轴2321的轴线a4的交点设置于具有切口的反射镜2111的顶点v。在这种情况下，能够简化运算，提高计算速度，同时能够降低出现计算错误的情况，提高计算的准确性。
110.在一些示例中，参见图8，第三旋转机构231可以包括第三旋转轴2311、第三旋转底盘2313和设置于第三旋转底盘2313的至少一个第三支撑臂2312，靶标21可以设置于第三支撑臂2312。在一些示例中，第三旋转机构231可以包括两个第三支撑臂2312，靶标21可以设置于两个第三支撑臂2312之间。在一些示例中，第三旋转机构231可以设置于探头安装座22，第三旋转机构231可以包括第三旋转轴2311、与第三旋转轴2311相匹配的第三轴承2314、与第三旋转轴2311联动的第三支撑臂2312。在这种情况下，能够利用第三旋转轴2311旋转带动第三支撑臂2312绕第三旋转轴2311旋转，进而能够利用第三支撑臂2312带动靶标21绕第三旋转轴2311旋转。
111.在一些示例中，第三旋转机构231可以控制靶标21沿第三方向d3旋转。在一些示例中，第三旋转底盘2313可以设置于第三旋转轴2311，并且第三旋转轴2311可以通过第三轴承2314设置于探头安装座22。在这种情况下，第三旋转机构231能够通过驱动第三旋转轴2311进行旋转并带动设置于第三旋转轴2311的第三旋转底盘2313沿第三方向d3旋转，进而能够带动设置于第三支撑臂2312的靶标21沿第三方向d3旋转。
112.在一些示例中，第四旋转机构232可以设置于第三旋转机构231的第三支撑臂2312并能够驱动第四旋转轴2321沿第四方向d4旋转。
113.在一些示例中，第四旋转轴2321可以与靶标21联动。在这种情况下，能够利用第四旋转机构232驱动靶标21沿第四方向d4旋转。在一些示例中，第四旋转机构232可以包括连接靶标21并将靶标21设置于第三支撑臂2312的第四旋转轴2321、与第四旋转轴2321相匹配的第四轴承2322。在这种情况下，利用第四轴承2322将第四旋转轴2321设置于第三支撑臂2312，进而能够令第三支撑臂2312带动第四旋转轴2321和设置于第四旋转轴的靶标21绕第
三旋转轴2311旋转。
114.在一些示例中，第二跟踪控制单元可以配置为基于第二位置传感单元2131获取的传感信息控制靶标21的姿态以使靶标21对准激光发射单元12。具体而言，在第二位置传感单元2131中，若第二光斑远离了第二预设零点，则可以认为靶标21没有对准激光发射单元12，可以基于第二光斑和第二预设零点之间的相对位置计算靶标21的姿态调整方式。在这种情况下，能够基于计算结果令第二跟踪控制单元控制靶标21反向跟踪激光发射单元12，第二光斑和第二预设零点之间的相对位置可以是指第二光斑相对于第二预设零点的位置。
115.在一些示例中，第二跟踪控制单元可以由第三旋转机构231和第四旋转机构232构成。在这种情况下，能够控制靶标21在两个方向进行旋转，由第三旋转机构231和第四旋转机构232构成的第二跟踪控制单元能够减少制造成本和设计成本，同时，在第二跟踪控制单元由第三方向d3旋转和第四旋转机构232构成的情况下，能够控制靶标21对准激光发射单元12，也能够基于计算获得靶标21的姿态。
116.在一些示例中，第二跟踪控制单元也可以是任意能够改变靶标21的姿态的人或物，具体而言，改变靶标21的姿态的方式可以是自动的，也可以是人为手动的。
117.在一些示例中，参见图8，探头2可以包括探头角度测量单元，探头角度测量单元可以配置为测量靶标21在第二跟踪控制单元的控制下的旋转角度。在这种情况下，能够利用探头角度测量单元获得靶标21的旋转角度，由此能够基于靶标21的旋转角度确定靶标21的姿态和探头2的姿态的位置关系，进而能够获取靶标21相对于探头2的旋转角度，进而能够基于探头2的旋转角度计算目标的空间姿态。需要说明的是，在利用第二跟踪控制单元靶标21旋转的过程，也是控制靶标21相对于探头安装座22旋转的过程，探头2的姿态可以是指探头2中的探头安装座22的姿态，由于探头安装座22安装于目标，探头安装座22的移动方式与目标的移动方式同步，因此探头2的姿态也可以是指目标的姿态。同时，由于靶标21在第二跟踪控制单元的控制下持续地对准激光发射单元12，靶标21的姿态可以与激光束的方向向量同步地发生变化。换言之，获取靶标21相对于探头2的旋转角度，也即获取了激光束的方向向量相对于目标的变化。
118.在一些示例中，参见图8，探头角度测量单元可以包括配置为测量靶标21沿第三方向d3旋转的旋转角度的第一探头角度测量单元24和配置为测量靶标21沿第四方向d4旋转的旋转角度的第二探头角度测量单元25。在这种情况下，能够获得靶标21沿第三方向d3旋转的旋转角度和沿第四方向d4旋转的旋转角度，进而能够基于靶标21沿第三方向d3旋转的旋转角度和沿第四方向d4旋转的旋转角度计算激光束在靶标坐标系中的方向向量。
119.在一些示例中，探头角度测量单元包括设置于旋转轴的光栅盘和读数头。例如，第一探头角度测量单元24可以包括设置于第三旋转轴2311的第一探头光栅盘241和基于第一探头光栅盘241获得靶标21沿第三方向d3旋转的旋转角度的第一探头读数头242。第二探头角度测量单元25可以包括设置于第四旋转轴2321的第二探头光栅盘251和基于第二探头光栅盘251获得靶标21沿第四方向d4旋转的旋转角度的第二探头读数头252。在这种情况下，能够通过探头角度测量单元测量第三旋转轴2311或第四旋转轴2321的旋转角度以计算激光束在靶标坐标系中的方向向量。
120.在一些示例中，参见图8，探头2可以包括第二重力对齐单元26，第二重力对齐单元26可以配置为获取目标的姿态，在一些示例中，第二重力对齐单元26可以用于获取目标的
至少一个欧拉角。在一些示例中，第二重力对齐单元26可以用于获取目标的俯仰角和横滚角。
121.在一些示例中，第二重力对齐单元26可以配置为将基于探头角度测量单元获取的第二方向信息对齐至目标坐标系。探头角度测量单元获取的第二方向信息可以包括靶标21沿第三方向d3旋转的旋转角度和沿第四方向d4旋转的旋转角度。
122.在一些示例中，参见图8，第二重力对齐单元26可以设置于探头安装座22。在这种情况下，由于探头安装座22安装于目标，与目标保持相对静止，第二重力对齐单元26能够不随靶标21的旋转而旋转，相对于目标能够保持固定的，进而能够测量目标的倾斜角度。另外，相对于将第二重力对齐单元26设置于靶标21的方案，也即第二重力对齐单元26会在第三旋转机构231或第四旋转机构232的驱动下旋转的方案，能够减少第二重力对齐单元26的动态响应要求，从而能够提高第二重力对齐单元26的测量精度，同时还能够简化计算过程。
123.在一些示例中，第二重力对齐单元26可以通过测量探头安装座22或第三平面s3相对于水平面的倾斜角度为第二倾斜角度，第二倾斜角度可以配置为计算靶标坐标系和目标坐标系之间的变换关系。在这种情况下，能够将激光束在激光跟踪仪设备坐标系中的方向向量和激光束在靶标坐标系中的方向向量相关联。同时，由于除去可旋转的靶标21外，探头2的大部分部件与探头安装座22保持相对静止，因此，探头安装座22或第三平面s3相对于水平面的倾斜角度也可以是指探头2相对于水平面的倾斜角度，由于探头安装座22安装于目标，探头安装座22相对于水平面的倾斜角度也可以是目标与水平面的倾斜角，例如目标与水平面的倾斜角可以是目标的俯仰角和横滚角。同时，由于靶标坐标系和目标坐标系之间的变换关系可以利用目标的欧拉角(包括俯仰角和、横滚角和偏航角)获得，因此，在激光跟踪仪设备坐标系中的坐标、激光束在靶标坐标系中的方向向量、目标的俯仰角和目标的横滚角已知的情况下，能够计算得到目标的偏航角。
124.在一些示例中，以第二重力对齐单元26包括两个单轴倾角仪，并且两个单轴倾角仪的敏感轴正交为例，第二重力对齐单元26可以包括第一倾角仪26a和第二倾角仪26b，其中，第一倾角仪26a的敏感轴和第二倾角仪26b的敏感轴可以在同一平面内，第一倾角仪26a的敏感轴和第二倾角仪26b的敏感轴所在的平面可以与第三旋转轴2311垂直，第一倾角仪26a的敏感轴可以与第四旋转轴2321平行，第二倾角仪26b的敏感轴可以与第四旋转轴2321垂直。换言之，第二重力对齐单元26可以包括第一倾角仪26a和第二倾角仪26b，第一倾角仪26a的安装方向可以与第三旋转机构231的旋转轴的延伸方向垂直，第二倾角仪26b的安装方向可以与第四旋转机构232的旋转轴的延伸方向平行，第一倾角仪26a的安装方向可以与第二倾角仪26b的安装方向垂直。在这种情况下，由于第二重力对齐单元26的敏感轴与的第二跟踪控制单元的旋转轴相匹配，能够简化靶标坐标系和目标坐标系的变换公式，提高计算速度，并提高测量的精度。同时，能够令第一倾角仪26a测量的第二倾斜角度作为探头安装座22(目标)的俯仰角，并且令第二倾角仪26b测量的第二倾斜角度作为探头安装座22(目标)的横滚角。
125.在一些示例中，激光束的方向向量可以满足：
[0126][0127]
其中，表示激光束在目标坐标系的方向向量，表示目标坐标系和靶标坐标
系的变换关系，可以通过探头相对于水平面的倾斜角度获得。表示激光束在靶标坐标系的方向向量，可以通过靶标21的旋转角度获得。
[0128][0129]
其中，表示激光束在激光跟踪仪设备坐标系的方向向量，可以通过激光发射单元12的旋转角度获得，表示激光跟踪仪设备坐标系和目标坐标系的变换关系，可以通过激光跟踪仪1相对于水平面的倾斜角度获得。
[0130]
在一些示例中，姿态检测系统也可以通过其他方式建立等式，例如姿态检测系统可以包括姿态测量单元，其中姿态测量单元可以独立于激光跟踪仪1和靶标21设置，并且姿态测量单元可以配置为确定激光发射单元12的姿态和靶标的姿态，进而能够确定靶标坐标系和激光跟踪仪设备坐标系，进而能够基于激光发射单元12的姿态和靶标21的姿态确定靶标坐标系和激光跟踪仪设备坐标系之间的变换公式。换言之，姿态检测系统也可以不设置第一重力对齐单元和第一重力对齐单元26，并通过姿态测量单元获得靶标坐标系和激光跟踪仪设备坐标系之间的变换公式，并基于激光束在靶标坐标系中的方向向量、激光束在激光跟踪仪设备中的方向向量和变换公式建立等式。
[0131]
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。

技术特征：
1.一种姿态检测系统，是用于获得目标的姿态的姿态检测系统，其特征在于，包括：激光跟踪仪和与设置于所述目标的探头，所述激光跟踪仪包括：配置为发射激光束的激光发射单元、配置为控制所述激光发射单元的发射方向以使所述激光发射单元跟踪所述探头的第一跟踪控制单元以及配置为测量所述激光发射单元的旋转角度的跟踪头角度测量单元；所述探头包括：配置为反射激光束或发散光束的并具有通孔的靶标、配置为控制所述靶标沿两个不同方向旋转以使所述靶标对准所述激光发射单元的第二跟踪控制单元以及配置为测量所述靶标的旋转角度的探头角度测量单元。2.如权利要求1所述的姿态检测系统，其特征在于，所述第一跟踪控制单元包括控制所述激光发射单元沿第一方向旋转的第一旋转机构和控制所述激光发射单元沿第二方向旋转的第二旋转机构，所述第一旋转机构包括第一旋转轴、第一轴承、设置于所述第一旋转轴的第一旋转底盘和设置于所述第一旋转底盘的至少一个第一支撑臂，所述第一旋转轴通过所述第一轴承设置于所述激光跟踪仪的底座，所述第二旋转机构包括连接测量主机的第二旋转轴和将所述第二旋转轴设置于所述第一支撑臂的第二轴承。3.如权利要求2所述的姿态检测系统，其特征在于，所述激光跟踪仪包括跟踪头角度测量单元，所述跟踪头角度测量单元包括配置为测量所述激光发射单元沿所述第一方向旋转的旋转角度的第一跟踪头角度测量单元和配置为测量所述激光发射单元沿所述第二方向旋转的旋转角度的第二跟踪头角度测量单元。4.如权利要求2所述的姿态检测系统，其特征在于，所述激光跟踪仪包括第一重力对齐单元，所述第一重力对齐单元配置为获取第一倾斜角度，所述第一倾斜角度配置为将所述跟踪头角度测量单元获取的第一方向信息对齐至目标坐标系，所述第一方向信息包括所述激光发射单元沿所述第一方向旋转的旋转角度和所述激光发射单元沿所述第二方向旋转的旋转角度。5.如权利要求1所述的姿态检测系统，其特征在于，所述激光跟踪仪包括多个激光发射单元，所述多个激光发射单元包括用于绝对测距的第一激光发射单元和用于干涉测距的第二激光发射单元，所述第一激光发射单元配置为发出第一激光束，所述第二激光发射单元配置为发出第二激光束，第二激光束依次经过分光单元和反射单元并达到合束单元，第一激光束的光路与第二激光束的光路通过合束单元耦合，并从所述激光跟踪仪射出，令所述探头反射的第二激光束为第二反射激光束，所述分光单元配置为接收第二反射激光束光并将第二反射激光束的反射至第一位置传感单元，所述第一位置传感单元配置为接收经由所述探头反射的第二反射激光束以判断所述激光发射单元是否对准所述靶标。6.如权利要求1所述的姿态检测系统，其特征在于，所述激光跟踪仪包括配置为发射发散光束的发光单元、以及配置为接收经由所述探头反射的发散光束的目标捕获单元，所述第一跟踪控制单元配置为基于所述目标捕获单元获取的发散光束控制所述激光发射单元的姿态以使所述激光发射单元对准所述靶标。7.如权利要求1所述的姿态检测系统，其特征在于，所述第二跟踪控制单元包括控制所述靶标沿第三方向旋转的第三旋转机构和控制所
述靶标沿第四方向旋转的第四旋转机构，所述第三旋转机构包括第三旋转轴、第三旋转底盘和设置于所述第三旋转底盘的至少一个第三支撑臂，所述靶标设置于所述第三支撑臂。8.如权利要求7所述的姿态检测系统，其特征在于，所述探头角度测量单元包括配置为测量所述靶标沿所述第三方向旋转的旋转角度的第一探头角度测量单元和配置为测量所述靶标沿所述第四方向旋转的旋转角度的第二探头角度测量单元。9.如权利要求7所述的姿态检测系统，其特征在于，所述探头包括将所述探头设置于所述目标的探头安装座和设置于所述探头安装座的第二重力对齐单元，所述第二重力对齐单元配置为获取所述探头的第二倾斜角度，所述第二倾斜角度配置为计算靶标坐标系和目标坐标系之间的变换关系，所述第二重力对齐单元包括第一倾角仪和第二倾角仪，所述第一倾角仪的安装方向与所述第三旋转机构的旋转轴的延伸方向垂直，所述第二倾角仪的安装方向与所述第四旋转机构的旋转轴的延伸方向平行，所述第一倾角仪的安装方向与所述第二倾角仪的安装方向垂直。10.如权利要求1所述的姿态检测系统，其特征在于，所述靶标包括棱镜层、中间层、以及基准层，所述中间层设置于所述棱镜层和基准层之间，在所述棱镜层设置有具有切口的反射镜，在所述中间层设置有具有通孔的小孔板，在所述基准层设置有第二位置传感单元，所述第二位置传感单元配置为接收经过所述通孔的激光束。

技术总结
本公开描述了一种姿态检测系统，是用于获得目标的姿态的姿态检测系统，包括：激光跟踪仪和探头，激光跟踪仪包括：激光发射单元、使激光发射单元跟踪探头的第一跟踪控制单元以及配置为测量激光发射单元的旋转角度的跟踪头角度测量单元；探头包括：反射激光束或发散光束的并具有通孔的靶标、控制靶标沿两个不同方向旋转以使靶标对准激光发射单元的第二跟踪控制单元以及配置为测量靶标的旋转角度的探头角度测量单元。由此，能够令激光发射单元对准探头的同时令探头对激光发射单元，从而能够利用激光发射单元的旋转角度或靶标的旋转角度表示激光束的方向向量并建立等式计算目标的姿态。的姿态。的姿态。


技术研发人员：张和君 廖学文 冯福荣 陈源 吴兴发 张海叶 常立超
受保护的技术使用者：深圳市中图仪器股份有限公司
技术研发日：2022.12.12
技术公布日：2023/8/13