基于動(dòng)坐標(biāo)系的便攜式圓周截面參數(shù)測(cè)量方法及設(shè)備

司劍峰 陳浩 鐘冬望

摘 要 工程中往往需要對(duì)大型的圓周截面建構(gòu)筑物或設(shè)備的直徑或周長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，然而現(xiàn)有測(cè)試方法或技術(shù)存在無(wú)法測(cè)量或精度較差的問(wèn)題，為解決大量圓周截面參數(shù)測(cè)量的問(wèn)題，提出了一種基于手持式移動(dòng)坐標(biāo)系統(tǒng)的間接測(cè)量方法間接測(cè)出圓周上任意大于3個(gè)點(diǎn)在該移動(dòng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，然后通過(guò)解三元二次方程組或多元擬合的方式間接求解出圓周直徑或周長(zhǎng)的方法?；谠摐y(cè)量計(jì)算方法，介紹了其基本原理，并以超聲波測(cè)距模塊為例設(shè)計(jì)了測(cè)試設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)及主要模塊電路圖。最后分析了該測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)，可供同領(lǐng)域工程人員參考。

關(guān)鍵詞 圓周參數(shù) 間接測(cè)量 模塊設(shè)計(jì) 測(cè)量設(shè)備

中圖分類號(hào)：O411.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0緒論

圓周截面參數(shù)的測(cè)量在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用主要包括管道、柱形容器、圓弧形結(jié)構(gòu)建筑物等直徑或者周長(zhǎng)的測(cè)量?，F(xiàn)有的大直徑測(cè)量方法也較多，包括大型千分尺、 尺、皮尺直接測(cè)量，弦高法、三點(diǎn)法、切點(diǎn)法、滾輪法、標(biāo)記法、激光掃描等間接測(cè)量法。然而在實(shí)際工程測(cè)量中測(cè)試環(huán)境復(fù)雜多變、測(cè)試對(duì)象形態(tài)各異，以上測(cè)量技術(shù)和方法不能滿足測(cè)試要求。直接測(cè)量法具有精度高的特點(diǎn)，然而大多工程中遇到的測(cè)量問(wèn)題是無(wú)法直接進(jìn)行測(cè)量的，且該方法的主觀性較大，測(cè)量精度無(wú)法保證;弦高法、三點(diǎn)法、切點(diǎn)法、滾輪法、標(biāo)記法等間接測(cè)量法需要接觸被測(cè)物體，這一點(diǎn)在某些測(cè)量中也無(wú)法滿足條件。激光掃描法和視覺(jué)測(cè)量法是一種間接的非接觸式測(cè)量方法，具有較好的精度和穩(wěn)定性，但是這一類測(cè)試往往設(shè)備自身的體積及重量較大，不適于野外工程測(cè)量。

激光/聲波是較為常用的測(cè)距設(shè)備，激光/聲波測(cè)距具有精度高、操作方便、穩(wěn)定性好、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。若采用激光/聲波對(duì)圓形區(qū)域基本尺寸進(jìn)行測(cè)量，則需要提前定位出圓心位置。然而，工程測(cè)試中大多數(shù)是無(wú)法確定圓心位置的。同時(shí)，該方法也僅適用于平面圓周的測(cè)量。因此，在工程中遇到此類測(cè)量項(xiàng)目時(shí)會(huì)面臨諸多問(wèn)題而無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量出準(zhǔn)確數(shù)值。

1基本原理

1.1基本思路

通常的測(cè)量方法分為直接測(cè)量和間接測(cè)量。直接測(cè)量具有直觀、精準(zhǔn)的特點(diǎn);間接測(cè)量是通過(guò)測(cè)量其他參數(shù)再經(jīng)過(guò)計(jì)算或者變換后得到的數(shù)值。在幾何圖形圓中，半徑R及圓心O是其重要的幾何參數(shù)。如果已知半徑R，則可計(jì)算出周長(zhǎng)、面積等參數(shù)，因此半徑R的獲得至關(guān)重要。在平面坐標(biāo)系中，圓周線是一個(gè)圓，可用（0）2+（0）2=R2來(lái)表示，其中0、0為圓心坐標(biāo)，R為半徑。如果已知圓周上三個(gè)任意點(diǎn)的坐標(biāo)，代入上述圓方程即可求出0、0、R三個(gè)值。

1.2測(cè)試原理

本測(cè)試儀器主要由電源、顯示屏、按鍵、攝像頭、測(cè)距模塊、開(kāi)關(guān)、外殼幾部分組成。測(cè)距?？焓瞻l(fā)裝置包括三組收發(fā)器和三個(gè)角度轉(zhuǎn)動(dòng)器。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，假設(shè)第一組測(cè)距收發(fā)器水平向下轉(zhuǎn)動(dòng) 角度發(fā)射訊號(hào)，第二組測(cè)距?？焓瞻l(fā)器水平發(fā)射訊號(hào)，第三組收發(fā)器水平向上轉(zhuǎn)動(dòng) 角度發(fā)射訊號(hào)，且相鄰兩組收發(fā)器之間的間隔距離為h，通過(guò)三組測(cè)距?？焓瞻l(fā)器檢測(cè)到待測(cè)圓周上點(diǎn)距離對(duì)應(yīng)收發(fā)器之間的距離分別為a、b、c，則第一組收發(fā)器照射到圓周上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)為A（a·cos ，-a·sin ），第二組收發(fā)器照射到圓周上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)為B（b，h），第三組收發(fā)器照射到圓周上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)為C（c·cos ，2h+c·sin ），于是根據(jù)圓周上任意三點(diǎn)A、B、C的坐標(biāo)即可求得待測(cè)圓周的半徑，從而可以計(jì)算出圓的周長(zhǎng)及面積，同時(shí)亦可定位出圓心相對(duì)測(cè)試儀的相對(duì)坐標(biāo)。如圖1所示。

2基本結(jié)構(gòu)及模塊設(shè)計(jì)

以超聲波測(cè)距模塊為例，結(jié)合設(shè)計(jì)原理做了基本結(jié)構(gòu)和模塊設(shè)計(jì)。如圖2中，1為電池倉(cāng)為設(shè)備提供電源， 2為顯示屏用以顯示攝像頭拍攝的對(duì)象及測(cè)距數(shù)據(jù)，3為按鍵用以輸入命令，4為攝像頭，5和6為測(cè)距模塊，8為把手， 9為電源開(kāi)關(guān)。以上各部分按照?qǐng)D3功能示意圖進(jìn)行工作。

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2模塊電路設(shè)計(jì)

整個(gè)設(shè)備主要分為5個(gè)模塊：系統(tǒng)模塊、電源模塊、串口模塊、超聲波模塊和液晶顯示模塊，如圖4所示為該5個(gè)模塊的電路原理示意圖。

3主要技術(shù)問(wèn)題

（1）根據(jù)測(cè)試對(duì)象特點(diǎn)確定數(shù)據(jù)采集要求及系統(tǒng)精度。

（2）根據(jù)精度要求、數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性等多方面因素進(jìn)行激光測(cè)距模塊的選型。

（3）確定傳感器及數(shù)據(jù)傳輸與計(jì)算方案。

4結(jié)論及展望

本文將圓周截面參數(shù)測(cè)試儀器采用的是基于儀器自身局部坐標(biāo)系統(tǒng)的激光測(cè)量方法。對(duì)于小型的標(biāo)準(zhǔn)圓截面測(cè)試對(duì)象，只需要手持該儀器，對(duì)準(zhǔn)待測(cè)物體，即可顯示被測(cè)物體的圓截面參數(shù);大型測(cè)試對(duì)象，可手持儀器對(duì)測(cè)試物體多次測(cè)量求取平均值。除此之外，該測(cè)試儀器還可從待測(cè)物體內(nèi)部對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量，更加增大了此儀器的實(shí)用性。該測(cè)試儀器可用于某圓弧形狀的建筑物、煙囪、水塔、冷卻塔、管道等截面的尺寸，能夠?yàn)闇y(cè)量制圖、拆除設(shè)計(jì)或者改造設(shè)計(jì)提供精確的測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量范圍可在1米到幾百米，甚至更大，能廣泛應(yīng)用于土木、機(jī)械、建筑等領(lǐng)域，具有操作簡(jiǎn)便、精度高、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

基金項(xiàng)目：冶金工業(yè)過(guò)程系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢科技大學(xué)）開(kāi)放基金（Y201717）;湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（Q20181109）;武漢科技大學(xué)教研項(xiàng)目（2019X055）。

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