CN106123780A - 非接触式空间曲线精密测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式空间曲线精密测量方法和装置，其中，该方法包括：确定测量点；获取所述测量点到待测线的起始点i的距离d_i和第i个点的角度信息；此处i的初值为1；获取所述测量点到待测线的下一个点i+1的距离d_i+1和第i+1个点角度信息，该点应与前一个点的距离非常近；根据所述第i个点的角度信息和所述第i+1个点角度信息做差确定相对旋转角度α_i，通过公式计算i点到i+1点的近似长度；重复上述过程，不断测量的同时对i进行累加，直至待测线的结束点，n等于i不断累加的最终值，再通过l＝l₁+l₂+…+l_n确定所述待测线的长度。通过该发明实施例，能够做到彻底的非接触性测量，在距离测量物体较远的地方进行测量，并且能够达到对曲面的测量的目的。

Description

非接触式空间曲线精密测量方法和装置

技术领域

本发明涉及长度测量技术领域，尤其涉及一种非接触式空间曲线精密测量方法和装置。

背景技术

目前主要的日常测量手段主要是标尺类测量工具，包括日常用的直尺、皮尺和卷尺，此类测量工具属于接触性测量，即必须要能接触到测量对象，必须将标尺对准测量对象，以达到测量的目的。此类工具的局限性主要在于接触性，必须能够接触到测量对象，对于难以接触的测量对象无法完成测量，另外一点并且在某些情况下，由于测量对象过长，单人无法实现测量操作。以上是最常用的测量方式。

另外一种常用的测量方式，称之为不完全非接触性测量，这里的测量方法作为本发明中所提到测量方法的基础，这种测量方式即普通的激光测量仪，将其称之为不完全非接触性测量的原因在于，这种测量仪器的使用必须将测量仪放在测量对象的一端，将其对准测量对象的另外一端，并且测量对象的另外一端必须要有反射面，对激光测量仪发出的激光进行反射，完成测量，虽然这种测量方式不再需要标对测量工具和测量对象，但是依然需要将测量工具接触测量对象，所以叫做不完全非接触性测量。此种测量方式的基本原理是利用激光的反射原理，但是，激光是有固定速度的，从测量工具发出的激光通过与测量对象的直线路径传播，并且在到达测量对象的另外一端时进行发射，测量工具收到反射回来的激光信号，通过对这样一个过程进行计时，激光的速度参与计算，以达到计算出所测对象的长度的目的。由于上述整个过程的开始和结束在于激光的发射和返回到测量工具，所测量的实际距离也就是这一段时间内激光走过的长度，所以在下文中，将这个激光的发射点和激光返回测量工具的这个点称为测量点。

以上所说的这些测量方法，还存在一个主要的局限性，即对曲线的测量束手无策，一般，在生活中，确实缺少对曲线测量的有效方法，就算有方法，但是测量操作过程繁琐，误差大，并且缺少专门的曲线测量工具。

发明内容

本发明的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种非接触式空间曲线精密测量方法，该方法能 够做到彻底的非接触性测量，在距离测量物体较远的地方进行测量，并且能够达到对曲面的测量的目的。

本发明的第二个目的在于提出了一种非接触式空间曲线精密测量装置。

对于一个三角形，在该方法中所建立的三角形由测量点和所测直线的两个端点构成，确定其中一个顶点，这个顶点即测量点，并且知道该顶点的两条边的长度，即测量点到所测直线的两个端点的直线距离，以及该顶点的两条边构成的夹角的大小，即对两次角度信息进行做差的角度结果，就可以通过余弦定理来计算出该三角形另外一边的长度，即所要测量的直线对象。

如说明书附图2所见，可以得到的是AM、AN的长度d1，d2，以及∠MAN的大小α，可以通过以下余弦定理的公式来三角形的另外一边MN的长度l：即测量的测量对象的长度。

下面在介绍曲线测量方法之前，首先介绍两种思想，即微元和近似。首先，有一段曲线，将这段曲线尽可能多的进行分割，得到无数个尽可能短的曲线碎片，称这些曲线碎片为曲线的微元，显然对这些曲线的微元的长度进行求和就可以得到整条曲线的长度。接下来将用到近似的思想，对于前面提到的尽可能小的曲线的微元，显然可以将两个端点之间的直线距离近似看做这个曲线微元的长度，这种近似的误差是极小的，当曲线微元越小，这种误差也就越小。

将所测的曲线分成了尽可能多段的曲线，即以一定的频率去采集了测量点和采集时刻对应的曲线上点的直线距离和角度信息，对于这些采集时刻对应的曲线上的点来说，每两个相邻点之间就是所需要的曲线微元，现在已经确保这些曲线微元尽可能的小，在认同这些前提的情况下，可以近似的将这些每两个相邻点的直线距离当做这个曲线微元的实际长度，并且对这些长度进行叠加，即可得到整个曲线的长度。现在需要解决的是每一小段曲线微元的长度问题，通过近似的方法，可以将曲线微元的两个端点之间的直线距离看做这段曲线微元的长度，通过前文所提到的对直线测量的方法可以很好的解决这个问题，针对每一个曲线微元，现在已经知道测量点到这个曲线微元的两个端点的距离，以及测量点在测量这两个端点时转过的角度，通过前文提供的方法，可以计算出这个曲线微元两个端点的直线距离，即这个曲线微元长度的近似值，这个误差是足够小的，通过对这些近似值进行叠加，就可以获得这个整条曲线的长度。

简单的来说，参考说明书附图3，每一段虚线对应的就是通过固定频率采集到的对应点，当然这里为了表述的方便，把这个间隔距离变大了，在实际应用中，这之间的间隔距离应该是足够小的。针对每一个曲线的微元，这里把l1作为我们的研究对象，通过前面的测量操作，已经知道了直线距离d1，d2，以及之间测量点A转过的相对角度α1，通过前 文所提的公式和方法：可以得到l的长度，这里的l长度是每个曲线微元两个端点的直线距离，已经将这些曲线微元足够的小，所以可以近似的将这些直线长度作为该曲线微元的实际长度。

通过对这每个曲线微元的近似长度进行叠加，运用叠加公式：l＝l₁+l₂+…+l_n以求得待测曲线的总长度。

根据本发明第一方面实施例提出的一种非接触式空间曲线精密测量方法，包括以下步骤：

S1，确定测量点，i初值为1，点1为待测线的一个端点；

S2，获取所述测量点到待测线的点i的距离d_i和第i个点的角度信息；

S3，获取所述测量点到所述待测线的点i+1的距离d_i+1和第i+1个点的角度信息；

S4，根据所述第i个点的角度信息和所述第i+1个点的角度信息通过做差的方式确定相对旋转角度α_i，运用公式确定i点到i+1点长度；

S5，判断点i是否为待测线的最后一点，如果不是，则i＝i+1且重复执行S2到S4，如果点i为待测线的最后一点，则n＝i，执行S6，其中i为测量过程中不断累加的i的最终值；

S6，通过公式l＝l₁+l₂+…+l_n确定所述待测线的长度。

通过本发明实施例的非接触式空间曲线精密测量方法，首先确定测量点，接着获取测量点到待测线的点的距离和角度信息，从而根据距离和角度信息确定待测线的长度。该方法能够做到彻底的非接触性测量，在距离测量物体较远的地方进行测量，并且能够达到对曲面的测量的目的。

另外，根据本发明上述实施例的非接触式空间曲线精密测量方法还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，当所述待测线为直线时，所述待测线的总点数n一定为2；获取所述测量点到所述直线的起始点的距离d₁和第1个点的角度信息；获取所述测量点到所述直线的终点的距离d₂和第2个点的角度信息；根据所述第1个点的角度信息和所述第2个点的角信息度做差确定相对旋转角度α；通过公式确定所述直线的长度。

在一些示例中，根据所述第i个点的角度和所述第i+1个点的角度确定相对旋转角度α_i具体包括：根据所述第i个点的角度信息和所述第i+1个点的角度信息得到角度信息差；所述角度信息差与360度的比值为所述旋转角度α_i。

为达上述目的，根据本发明的第二方面实施例提出的一种非接触式空间曲线精密测量装置，包括：激光测距模块，用于提供测量点和获取所述测量点到待测线的点的距离；角度传感模块，用于获取角度信息；数据处理模块，用于根据所述距离和角度信息确定所述待测线的长度；显示模块，用于显示所述待测线的长度。

本发明实施例的非接触式空间曲线精密测量装置，首先激光测距模块提供测量点和测量点到待测线的点的距离，接着角度传感模块获取角度信息，从而数据处理模块根据距离和角度信息确定待测线的长度在显示模块显示待测线的长度。该装置能够做到彻底的非接触性测量，在距离测量物体较远的地方进行测量，并且能够达到对曲面的测量的目的。

如上所述这个激光测距模块就是测量装置的基础，通过这样一个测量装置来获得本测量装置到某一点的直线距离。同时前文也提到过测量点的概念，即这里的激光发射点，这里的激光发射点就是激光从这里发出在返回时激光经过该点，所得到的直线距离即该点到确定点的直线距离，所以称此点为测量点。公式如下：

d＝vt/2

这里的d(m)为所测的直线距离，v(m/s)为激光的速度，t(s)为激光从发射到返回所经过的时间。

由于这里的激光测距模块发出的激光是沿着直线传播的，所以通过转动角度传感器的旋转轴达到旋转激光测距模块发出激光指向的方向，这里激光测距模块发出激光所指向的方向就是所需要获得的角度信息，通过旋转测量待测线上不同的点对应的角度信息，即此时激光测距模块的指向是不同的。需要说明的是该旋转轴的圆心应该和测量点在竖直方向上重合，即该旋转轴在进行转动时，测量点同样视作旋转轴的轴心。另外固定方式为机械固定，该旋转轴和激光测距模块不能进行相对的位移和转动。

另外，根据本发明上述实施例的非接触式空间曲线精密测量装置还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述激光测距模块具体用于：获取所述测量点到待测线的起始点i的距离d_i；获取所述测量点到待测线的另一个点i+1的距离d_i+1。

所述角度传感模块具体用于：第i个点的角度信息；获取第i+1个点的角度信息。

在一些示例中，数据处理模块具体用于：根据所述第i个点角度信息和所述第i+1个点角度信息做差确定相对旋转角度α_i；通过公式和l＝l₁+l₂+…+l_n确定所述待测线的长度，其中n为不断叠加的i的最终值。

在一些示例中，根据所述第i个点的角度和所述第i+1个点的角度确定旋转角度α_i具体包括：根据所述第i个点的角度信息和所述第i+1个点的角度信息做差得到相对角度差角度信息差；所述角度信息差与360度的比值为所述旋转角度α_i。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的非接触式空间曲线精密测量方法的流程图；

图2为本发明直线长度测量实施例中的测量点和所测直线的几何示意图；

图3为本发明曲线长度测量实施例中的测量点和所测曲线的几何示意图；

图4是根据本发明一个实施例的非接触式空间曲线精密测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的非接触式空间曲线精密测量方法和装置。

图1是根据本发明一个实施例的非接触式空间曲线精密测量方法的流程图。

如图1所示，本发明实施例的非接触式空间曲线精密测量方法包括以下步骤：

S1，确定测量点，i初值为1，点1为待测线的一个端点；

S2，获取所述测量点到待测线的点i的距离d_i和第i个点的角度信息；

S3，获取所述测量点到所述待测线的点i+1的距离d_i+1和第i+1个点的角度信息；

S4，根据所述第i个点的角度信息和所述第i+1个点的角度信息通过做差的方式确定相对旋转角度α_i，运用公式确定i点到i+1点长度；

S5，判断点i是否为待测线的最后一点，如果不是，则i＝i+1且重复执行S2到S4，如果点i为待测线的最后一点，则n＝i，执行S6，其中i为测量过程中不断累加的i的最终值；

S6，通过公式l＝l₁+l₂+…+l_n确定所述待测线的长度。

具体地，获得测量点到线段一个端点的距离以及激光测距模块发出激光指向该点时的角度信息，然后通过旋转获得测量点到该线段的另外一个端点的距离以及激光测距模块发出激光指向该点时的角度信息，对角度信息做差获得旋转的相对角度，并对以上数据代入公式进行计算，不断重复上述过程并对结果进行叠加得到待测线长度的结果。

需要说明的是，当待测线为直线时，待测线的总点数n为2，也就是直线的两个端点。获取测量点到直线的起始点的距离d₁和该点的角度信息。获取测量点到直线的终点的距离d₂和该点的角度信息。根据第1个点的角度信息和第2个点的角信息度做差确定相对旋转角度α。通过公式确定直线的长度。

结合图2详细说明直线测量的工作原理，图2是本发明在实施直线长度测量时的几何 示意图，图中所示的测量点可以是激光发射点。

具体而言，对于空间直线MN，长度为l，图中的A作为我们的测量点，通过测量我们可以得到的是AM、AN的长度d1，d2，以及∠MAN的大小α，我们可以通过以下余弦定理的公式来三角形的另外一边MN的长度l：即我们测量的测量对象的长度。

当待测线为曲线时，需要将曲线进行尽量小的切割和划分，将曲线段划分成很多条小的曲线段，我们知道，当这个小线段足够多时，我们可以把每一条小的曲线段近似的看做是直线段，并且可以认为这条小的曲线段的长度与这条近似的直线段的长度相同，如果可以得到这些近似直线段的长度，并且对l＝l₁+l₂+…+l_n进行求和，就可以得到一整条曲线段的长度了。

具体地，对测量点的要求是测量点与所测曲线必须要可以可以构成一个平面，从测量点发出的激光束对准该曲线的一个端点开始，通过微小旋转尽可能多的获得测量点到曲线上不同点的距离长度以及测量每两个相邻点时测量点转过的角度，直到测量点对准该曲线的末端端点为止，同时也应获得测量点到末端端点的距离以及最后一次旋转的角度，将以上数据带入本发明提供的公式即可得到所测量的曲线长度的结果。

结合图3详细说明曲线测量的工作原理，图3是本发明在实施曲线长度测量时的几何示意图，图中所示的测量点可以是激光发射点。

具体而言，对于空间中的某条曲线段MN，假设这条曲线段的长度为l，并且我们找到空间中一定点A，对于该点的限制条件为该点A与所知的曲线段MN能够构成一个平面。尽可能多的获得该点A到曲线段MN上不同点(以下简称已知点)的距离di，并且能够得到点A到曲线上这些已知点中每两个相邻点的线段所形成的角度αi，如果这些已知点足够多，每两个已知点之间的小段曲线可以近似看做小段直线进行计算，可以通过之前对于空间直线的测量方法对于每两个已知点之间的微小曲线长度进行计算： 并且对这些微小曲线l＝l₁+l₂+…+l_n进行求和，就可以得到一整条曲线段的长度l了。

为了更加直观了解本发明的测量准确度，下面结合表1和表2详细说明。在测量直线时的三种情况，分别为距离测量平面15cm，90cm和200cm处，对于实际长度分别为为10、40、90、200cm测量结果及其平均值和误差情况。如表1所示：

表1测量直线时的三种情况

在测量曲面长度分别为10cm、40cm时的测量结果平均值及误差情况。如表2所示：

表2测量曲线时的两种情况

通过本发明实施例的非接触式空间曲线精密测量方法，首先确定测量点，接着获取测量点到待测线的点的距离和角度信息，从而根据距离和角度信息确定待测线的长度。该方法能够做到彻底的非接触性测量，在距离测量物体较远的地方进行测量，并且能够达到对曲面的测量的目的。

与上述实施例提供的非接触式空间曲线精密测量方法相对应，本发明的一种实施例还提供一种非接触式空间曲线精密测量装置，由于本发明实施例提供的非接触式空间曲线精密测量装置与上述实施例提供的非接触式空间曲线精密测量方法具有相同或相似的技术特征，因此在前述非接触式空间曲线精密测量方法的实施方式也适用于本实施例提供的非接触式空间曲线精密测量装置，在本实施例中不再详细描述。如图4所示，该非接触式空间曲线精密测量装置可包括：激光测距模块10、角度传感模块20、数据处理模块30和显示模块40。

其中，激光测距模块10用于提供测量点，获取测量点到待测线上的点的距离。

角度传感模块20获取角度信息。

数据处理模块30用于根据距离和角度信息确定待测线的长度。

显示模块40用于显示待测线的长度。

在一些示例中，激光测距模块10具体用于：获取所述测量点到待测线的起始点i的距离d_i；获取所述测量点到待测线的另一个点i+1的距离d_i+1。

在一些示例中，角度传感模块20具体用于：获取测第i个点的角度信息；第i+1个点的角度信息。

在一些示例中，数据处理模块30具体用于：根据所述第i个点角度信息和所述第i+1 个点角度信息做差确定相对旋转角度α_i；通过公式和l＝l₁+l₂+…+l_n确定所述待测线的长度，其中n为不断叠加的i的最终值。

在一些示例中，根据所述第i个点的角度和所述第i+1个点的角度确定旋转角度α_i具体包括：根据所述第i个点的角度信息和所述第i+1个点的角度信息做差得到相对角度差角度信息差；所述角度信息差与360度的比值为所述旋转角度α_i。

具体而言，简单的激光模块10以及在其中的激光发射点作为测量过程中的测量点，该模块下方固定角度传感器的旋转轴以及连接在一起的角度传感模块20，将激光距模块10和角度传感模块20与数据处理模块30进行电气连接，数据处理模块30主要由单片机芯片构成，并且与显示模块40进行电气连接，用于数据处理和显示结果。

本发明实施例的非接触式空间曲线精密测量装置，首先激光模块提供测量点获取测量点到待测线的点的距离，接着角度传感模块和角度信息，从而数据处理模块根据距离和角度信息确定待测线的长度在显示模块显示待测线的长度。该装置能够做到彻底的非接触性测量，在距离测量物体较远的地方进行测量，并且能够达到对曲面的测量的目的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种非接触式空间曲线精密测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，确定测量点，i初值为1，点1为待测线的一个端点；

S2，获取所述测量点到待测线的点i的距离d_i和第i个点的角度信息；

S3，获取所述测量点到所述待测线的点i+1的距离d_i+1和第i+1个点的角度信息；

S4，根据所述第i个点的角度信息和所述第i+1个点的角度信息通过做差的方式确定相对旋转角度α_i，运用公式确定i点到i+1点长度；

S5，判断点i是否为待测线的最后一点，如果不是，则i＝i+1且重复执行S2到S4，如果点i为待测线的最后一点，则n＝i，执行S6，其中i为测量过程中不断累加的i的最终值；

S6，通过公式l＝l₁+l₂+…+l_n确定所述待测线的长度。

2.如权利要求1所述的非接触式空间曲线精密测量方法，其特征在于，当所述待测线为直线时，所述待测线的总点数n为2；

获取所述测量点到所述直线的起始点的距离d₁和第1个点的角度信息；

获取所述测量点到所述直线的终点的距离d₂和第2个点的角度信息；

根据所述第1个点的角度信息和所述第2个点的角度信息通过做差的方式确定相对旋转角度α₁；

通过公式确定所述直线的长度。

3.如权利要求1所述的非接触式空间曲线精密测量方法，其特征在于，根据所述第i个点的角度和所述第i+1个点角度确定相对旋转角度α_i具体包括：

根据所述第i个点的角度信息和所述第i+1个点的角度信息做差得到相对角度信息差；

所述角度信息差与360度的比值为所述旋转角度α_i。

4.一种非接触式空间曲线精密测量装置，其特征在于，包括：

激光测距模块，用于提供测量点和获取所述测量点到待测线的点的距离；

角度传感模块，用于获取角度信息；

数据处理模块，用于对所述距离和所述角度信息进行储存、处理、计算；

显示模块，用于显示所述待测线的长度。

5.如权利要求4所示的非接触式空间曲线精密测量装置，其特征在于，所述激光测距模块具体用于：

获取所述测量点到待测线的点i的距离d_i；

获取所述测量点到待测线的点i+1的距离d_i+1。

6.如权利要求4所示的非接触式空间曲线精密测量装置，其特征在于，所述角度传感模块具体用于：

获取所述第i个点的角度信息；

获取所述第i+1个点的角度信息。

7.如权利要求4所示的非接触式空间曲线精密测量装置，其特征在于，包括：数据处理模块具体用于：

根据所述第i个点的角度信息和所述第i+1个点的角度信息做差确定相对旋转角度α_i；

通过公式和l＝l₁+l₂+…+l_n确定所述待测线的长度，其中n为测量过程中不断累加的i的最终值。

8.如权利要求7所示的非接触式空间曲线精密测量装置，其特征在于，根据所述第i个点的角度和所述第i+1个点的角度确定相对旋转角度α_i具体包括：

根据所述第i个点的角度信息和所述第i+1个点的角度信息做差得到相对角度信息差；

所述角度信息差与360度的比值为所述旋转角度α_i。