CN112629410A - 空间杆件倾斜角度的非接触式测量设备及测量方法 - Google Patents

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CN112629410A CN202011426775.7A CN202011426775A CN112629410A CN 112629410 A CN112629410 A CN 112629410A CN 202011426775 A CN202011426775 A CN 202011426775A CN 112629410 A CN112629410 A CN 112629410A
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    • G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes

Abstract

本发明公开了一种空间杆件倾斜角度的非接触式测量方法，包括如下步骤：1)建立全局空间直角坐标系、拍摄装置局部空间直角坐标系以及局部平面直角坐标系；2)确定待测杆件，对所述待测杆件进行第一次拍摄，得到第一组角度参数，根据所述第一组角度参数计算得到待测杆件轴线所处第一空间平面的法向向量；3)对所述待测杆件进行第二次拍摄，得到第二组角度参数，根据所述第二组角度参数计算得到所述待测杆件轴线所处第二空间平面的法向向量；4)所述计算分析模块根据第一空间平面的法向向量、第二空间平面的法向向量计算所述待测杆件轴线所处空间方向的方向向量；5)所述计算分析模块根据方向向量计算待测杆件轴线相对水平面或其他平面的倾斜角度。

Description

空间杆件倾斜角度的非接触式测量设备及测量方法
技术领域
本发明属于杆件测量技术领域，具体涉及一种空间杆件倾斜角度的非接触式测量方法以及用于空间杆件倾斜角度非接触式测量的设备。
背景技术
杆件是建筑结构领域运用最为广泛的结构件之一，杆件的正确安装、定期检查以及合理运维都是保证其功能得以实现的重要环节。然而，杆件的空间角度的确定一直是工程上较为复杂的问题。目前确定空间杆件角度的方法仍基本都采用接触式测量方法，这给工程建设及检查维护带来很大困难和安全隐患。
以电力及化工行业内管道支吊架的设计、安装与运维为例，为了防止吊架在水平方向上对管道施加过大的附加荷载，设计上对不同类型吊架的吊杆倾斜角度都有明确的规定，在基建及后期检查维护中都需要对每个吊架的倾斜角度进行测量确定以防止吊架倾斜角度超标对管道运行状态产生不利影响(例如发电厂管道刚性吊架倾斜度要求不超过3°)。由于管道吊架大多处于高空，以现有的接触式测量手段测量吊架倾斜角度需要搭建大量脚手架平台，且测量作业属于高处作业，存在较大安全隐患。测量过程中，由于空间方向不易确定，也会导致测量误差较大。
直至20世纪八十年代末，全站型电子速测仪(简称全站仪)被发明后，空间点或构件的坐标、倾斜角度等数据的非接触式测量才得以实现。利用全站仪定位是目前最先进的空间定位方式，将仪器固定后确定基准坐标系(常采用水平及竖直轴确定基准坐标系)，通过测量目标点相对坐标原点的角度和距离，可以定位空间点在基准坐标系下的准确坐标。对于空间杆件，可以通过定位杆件中心轴上两个点的坐标即可计算空间杆件相对基准坐标系的坐标轴或坐标平面之间的倾斜角度。同时还可以通过坐标转换计算空间杆件相对于任意空间坐标系的位置和倾斜角度，实现空间杆件倾斜角度的非接触式测量。但该方法也存在局限性，由于整个测量过程中需要设备完全固定，给在许多特殊环境中的测量带来不便甚至无法测量。
所以目前能用于测量空间杆件角度的方法主要分为两类：
第一类是采用机械式测量工具进行接触式测量。该类测量方法主要利用重力方向竖直向下的原理，因此主要采用有水平面内相互垂直的坐标轴结合竖直轴构成的空间直角坐标系作为基准坐标系。利用重力设计相应的测量设备或仪器，利用测量设备或仪器的定位装置与待测杆件贴合并调整角度使之与待测杆件轴线平行，从而实现接触式测量杆件相对水平面或竖直轴的倾斜角度。该类方法主要有以下缺点：
1)需要接触式测量，对处于高空的杆件测量准备工作量大且测量风险高、效率低。
2)由于基准坐标选择的局限性，只能测量杆件相对竖直轴或水平面的倾斜角度，无法精确定位杆件在指定坐标系下的相对位置也即无法用函数对其进行描述。
3)由于采用机械式测量且空间角度不宜定位等因素导致测量误差较大。
第二类是采用全站仪或类似技术进行非接触式测量。该类方法将角度测量技术和距离测量技术相结合实现空间点的坐标定位。利用该方法，可以实现空间杆件倾斜角度的非接触式测量。但该类方法在测量过程中需要保证仪器完全固定以确保基准坐标系的坐标原点在空间不发生变化，否则会给测量带来较大误差。该类方法主要有以下缺点：
1)设备使用前需要完全固定，在很多环境中很难找到合适的固定基础，对空间结构比较复杂的位置，运用不方便或受限无法使用。
2)理论上该测量方法需要测量坐标原点到杆件轴线上至少两个点的直线距离，但由杆件占据一定空间体积，测量时需要定位杆件轴线与坐标原点所构成的平面与杆件表面的交线上的两个点，由于杆件处于空间，很难准确定位到该交线上的点，因此会给测量带来误差，这也是导致该方法并未广泛运用于空间杆件角度测量的主要原因。
3)采用该方式的测量仪器属于高精密仪器，体积相对庞大，在大多数局部空间使用并不方便，测量效率低。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种空间杆件倾斜角度的非接触式测量方法，其通过选择两个不同方向进行拍摄，即可确定待测杆件所在的两个空间平面，进而计算得到杆件的空间角度，方便快捷。
为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种空间杆件倾斜角度的非接触式测量方法，采用测量设备进行测量，所述测量设备包括用于对待测杆件进行拍摄的拍摄装置以及设置在所述拍摄装置内的拍摄装置空间姿态定位模块、图像识别模块以及计算分析模块，所述拍摄装置空间姿态定位模块用于定位和识别所述拍摄装置的空间姿态，所述图像识别模块用于识别拍摄视野中所述待测杆件轴线在拍摄面上的成像，所述计算分析模块用于根据所述拍摄装置空间姿态定位模块和图像识别模块识别和记录的参数，进行空间坐标的转化，计算所述待测杆件的倾斜角度；
所述测量方法包括如下步骤：
1)建立全局空间直角坐标系O-XYZ、拍摄装置局部空间直角坐标系o-xyz以及局部平面直角坐标系o′-x′z′，所述全局空间直角坐标系O-XYZ用于描述所述待测杆件的空间倾斜角度、相对坐标轴或坐标平面的倾斜角度、空间向量、空间平面；所述拍摄装置局部空间直角坐标系o-xyz用于描述每次拍摄时所述拍摄装置的空间姿态；所述局部平面直角坐标系o′-x′z′用于在拍摄面内描述待测杆件轴线投影方向；
2)确定待测杆件，在第一拍摄方向采用所述拍摄装置对所述待测杆件进行第一次拍摄，得到第一组角度参数θ(1)、φ(1)、γ(1)，所述计算分析模块根据所述第一组角度参数计算得到待测杆件轴线所处第一空间平面的法向向量
Figure BDA0002825206480000031
3)在第二拍摄方向下采用所述拍摄装置对所述待测杆件进行第二次拍摄，得到第二组角度参数θ(2)、φ(2)、γ(2)，所述计算分析模块根据所述第二组角度参数计算得到所述待测杆件轴线所处第二空间平面的法向向量
Figure BDA0002825206480000032
4)所述计算分析模块根据第一空间平面的法向向量
Figure BDA0002825206480000033
第二空间平面的法向向量
Figure BDA0002825206480000034
计算所述待测杆件轴线所处空间方向的方向向量
Figure BDA0002825206480000035
5)所述计算分析模块根据方向向量
Figure BDA0002825206480000036
计算待测杆件轴线相对水平面或其他平面的倾斜角度。
根据本发明的一些优选实施方面，所述第一拍摄方向与所述待测杆件轴向不平行。
根据本发明的一些优选实施方面，所述第二拍摄方向需保证所述第一拍摄方向和第二拍摄方向与所述待测杆件不在同一空间平面内。
根据本发明的一些优选实施方面，所述角度参数中θ为拍摄方向在全局空间直角坐标系O-XYZ中水平面的投影与X轴之间的夹角，φ为拍摄方向与全局空间直角坐标系O-XYZ中水平面之间的夹角，γ为待测杆件轴线方向与局部平面直角坐标系o′-x′z′的z′轴之间的夹角。
根据本发明的一些优选实施方面，步骤2)和步骤3)中的空间平面的法向向量
Figure BDA0002825206480000041
为：所述待测杆件的轴线位于以拍摄方向的单位向量
Figure BDA0002825206480000042
与待测杆件在拍摄面上的投影方向的单位向量
Figure BDA0002825206480000043
的矢量积为法向的平面内，将该法向向量为
Figure BDA0002825206480000044
法向向量
Figure BDA0002825206480000045
按照如下公式计算得到：
Figure BDA0002825206480000046
式中，
Figure BDA0002825206480000047
为拍摄方向上的单位向量；
Figure BDA0002825206480000048
为待测杆件轴线在拍摄面上的投影方向的单位向量。
根据本发明的一些优选实施方面，所述拍摄方向上的单位向量
Figure BDA0002825206480000049
与局部平面直角坐标系o-xyz中的y轴重合。
根据本发明的一些优选实施方面，所述空间平面的法向向量
Figure BDA00028252064800000410
计算公式中的
Figure BDA00028252064800000411
通过下式计算得到：
Figure BDA00028252064800000412
式中，θ、φ和γ为对应拍摄得到的角度参数。
根据本发明的一些优选实施方面，所述待测杆件轴线所处空间方向的方向向量
Figure BDA00028252064800000413
通过如下公式计算得到：
Figure BDA00028252064800000414
本发明还提供了一种空间杆件倾斜角度的非接触式测量设备，包括用于对待测杆件进行拍摄的拍摄装置以及设置在所述拍摄装置内的拍摄装置空间姿态定位模块、图像识别模块以及计算分析模块，所述拍摄装置空间姿态定位模块用于定位和识别所述拍摄装置的空间姿态，所述图像识别模块用于识别拍摄视野中所述待测杆件轴线在拍摄面上的成像，所述计算分析模块用于根据所述拍摄装置空间姿态定位模块和图像识别模块识别和记录的参数，进行空间坐标的转化，计算所述待测杆件的倾斜角度。
根据本发明的一些优选实施方面，所述拍摄装置空间姿态定位模块包括三维电子罗盘。
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明的空间杆件倾斜角度的非接触式测量方法，通过对空间杆件进行拍摄，拍摄时设备自动记录拍摄装置的倾斜角度并计算拍摄面的法向向量，结合图像识别技术自动识别并计算得到待测杆件在图像中的方向向量，从而得到待测杆件所在的一个空间平面；通过选择两个不同方向进行拍摄，即可确定待测杆件所在的两个空间平面，两平面的交线的方向向量即为待测杆件的轴线方向向量，从而可以计算得到杆件的空间角度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明优选实施例的测量方法中拍摄装置局部空间直角坐标系o-xyz的示意图；
图2为本发明优选实施例的测量方法中坐标系O-XYZ、o-xyz以及o′-x′z′之间的关系示意图；
图3为本发明优选实施例的测量方法中待测杆件轴线在拍摄面上的投影及坐标转换关系示意图；
图4为本发明优选实施例的测量方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1～4所示，本实施例中的空间杆件倾斜角度的非接触式测量方法，利用地磁场和重力等自然条件并结合拍摄技术、图像识别技术以及坐标转换理论等实现对空间杆件倾斜角度的非接触式测量。确定杆件的空间倾斜角度，只需要确定待测杆件轴线方向在某一空间直角坐标系下的表达式即可，相对其他坐标系的倾斜角度可以通过坐标转换得到。因此，本实施例的非接触式测量方法的实现原理是通过建立全局空间直角坐标系，在该坐标系下对待测杆件进行拍摄，拍摄时拍摄装置自动识别和记录拍摄方向的方向向量，再结合图像识别技术同步识别和记录待测杆件轴线在拍摄视野中投影的位置，从而在空间中定位出待测杆件所处的一个空间平面。通过选择两个不同的角度对待测杆件进行拍摄，获得待测杆件所处的两个不同的空间平面，这两个空间平面的交线方向即为待测杆件轴线所在的方向，从而得到待测杆件相对该坐标系的空间倾斜角度。为便于描述和理解，对拍摄装置的空间姿态做如下定义：
拍摄方向：指拍摄时，拍摄装置镜头的轴线方向，该方向也是拍摄视野范围的中心轴线方向。
拍摄面：指以拍摄方向为法向的空间平面，亦即拍摄时拍摄视野中的物体投影成像的平面。
相对旋转角度：指拍摄时，拍摄装置绕其拍摄方向的相对旋转角度。面向拍摄方向，顺时针旋转为正，逆时针旋转为负，取值范围为(-π,π)。
如图1-3所示，本实施例为了简化描述和理解，建立全局空间直角坐标系O-XYZ和拍摄装置局部空间直角坐标系o-xyz以及局部平面直角坐标系o′-x′z′。全局空间直角坐标系O-XYZ用于描述待测杆件的空间倾斜角度、相对坐标轴或坐标平面的倾斜角度、空间向量、空间平面等全局参量。拍摄装置局部空间直角坐标系o-xyz用于描述每次拍摄时拍摄装置的空间姿态，再通过坐标转换向坐标系O-XYZ下进行转换。局部平面直角坐标系o′-x′z′用于在拍摄面内描述待测杆件轴线投影方向，并通过坐标转换向坐标系O-XYZ下进行转换。
由于只需要测量空间杆件相对坐标系的倾斜角度，并不需要确定杆件在坐标系下的绝对位置，实施例中涉及到的空间直线将采用方向向量进行描述，空间平面将采用法向向量进行描述。采用向量进行描述时，同一向量在任意两个通过平动可相互转换的直角坐标系下的表达式是不变的。各坐标系的定义如下。
全局空间直角坐标系O-XYZ：
O：坐标原点；
X轴：坐标原点O所在位置处地磁北极方向在水平面内的投影方向；
Y轴：俯视下，X轴在水平面内逆时针旋转90°所指的方向；
Z轴：竖直向上；
拍摄装置局部空间直角坐标系o-xyz：
拍摄装置局部空间直角坐标系o-xyz的定义如图1所示。o为坐标原点，指拍摄装置内置三维电子罗盘的旋转中心；x,y,z轴分别为三维电子罗盘的三条相互垂直的旋转轴，其中y轴与拍摄装置镜头轴线重合，即为拍摄方向。拍摄装置水平放置时，x轴水平，z轴竖直向上，x,y,z轴正方向按右手定则确定，其中x轴以面向拍摄方向时右手侧为正。
局部平面直角坐标系o′-x′z′：
o′：坐标原点，为拍摄方向与拍摄面的交点；
x′、z′轴：分别为拍摄装置相对旋转角度为零时坐标系o-xyz的x轴和z轴在拍摄面内的投影方向。
由于采用向量进行描述，各坐标系可以在空间中任意平移，全局空间直角坐标系O-XYZ、拍摄装置局部空间直角坐标系o-xyz以及局部平面直角坐标系o′-x′z′之间的关系如图2所示，其中θ为拍摄方向在水平面的投影与坐标系O-XYZ的X轴之间的夹角，φ为拍摄方向与水平面之间的夹角，α为拍摄装置的相对旋转角度。拍摄装置局部空间直角坐标系o-xyz到全局空间直角坐标系O-XYZ有如下转换关系：
Figure BDA0002825206480000071
平面直角坐标系o′-x′z′到全局空间直角坐标系O-XYZ有如下转换关系：
Figure BDA0002825206480000072
空间杆件倾斜角度的非接触式测量设备
本实施例中空间杆件倾斜角度的非接触式测量方法采用测量设备实施，测量设备包括用于对待测杆件进行拍摄的拍摄装置以及设置在拍摄装置内的拍摄装置空间姿态定位模块、图像识别模块以及计算分析模块，拍摄装置空间姿态定位模块用于定位和识别拍摄装置的空间姿态，图像识别模块用于识别拍摄视野中待测杆件轴线在拍摄面上的成像，计算分析模块用于根据拍摄装置空间姿态定位模块和图像识别模块识别和记录的参数，进行空间坐标的转化，计算待测杆件的倾斜角度。各个部件详细叙述如下：
拍摄装置：
拍摄装置主要用于对空间待测杆件进行拍摄，拍摄采用与现有照相技术相同的工作原理。
拍摄装置空间姿态定位模块：
该模块采用成熟的三维电子罗盘技术实现自动定位和识别拍摄装置的空间姿态。如图2所示，设定
Figure BDA0002825206480000081
为拍摄方向上的单位向量。当拍摄装置处于该姿态时，内置三维电子罗盘自动定位和识别θ，φ，α角。根据定义
Figure BDA0002825206480000082
与y轴重合，
Figure BDA0002825206480000083
在拍摄装置局部空间直角坐标系下的表达式为(0,1,0)，通过转换，在全局空间直角坐标系下的表达式为：
Figure BDA0002825206480000084
拍摄面以拍摄方向为法向，拍摄方向确定后，拍摄面即已确定。拍摄装置的相对旋转角度即图2所示α角，该角度确定了拍摄装置局部坐标系o-xyz到全局坐标系O-XYZ的转换关系。
图2和3中的P1为P点在水平面内的投影，N为地磁北极方向。
图像识别模块：
图像识别模块用于自动识别拍摄视野中待测杆件轴线在拍摄面上的成像，结合三维电子罗盘功能在拍摄面内自动确定待测杆件轴线方向与z′轴之间的夹角γ。如图3所示，z′轴为拍摄方向所在竖直平面与拍摄面之间的交线，由三维电子罗盘自动识别并显示在拍摄面上。设定图3中
Figure BDA0002825206480000085
为待测杆件轴线在拍摄面上的投影方向的单位向量，
Figure BDA0002825206480000086
与z′之间的夹角为γ，则
Figure BDA0002825206480000087
在全局坐标系下的表达式为：
Figure BDA0002825206480000088
计算分析模块：
计算分析模块主要用于根据拍摄装置空间姿态定位系统和图像识别系统自动识别和记录的参数，进行空间坐标转化，计算拍摄方向向量、拍摄面、待测杆件轴线所处空间平面、待测杆件轴线的空间方向向量或倾斜角度以及通过坐标转化计算待测杆件相对其他坐标系的倾斜角度等。
根据拍摄原理可知，待测杆件轴线必定位于以拍摄方向的单位向量
Figure BDA0002825206480000089
与杆件在拍摄面上的投影方向的单位向量
Figure BDA00028252064800000810
的矢量积为法向的平面内，将该法向向量定义为
Figure BDA00028252064800000811
则
Figure BDA00028252064800000812
据此，在三维空间中确定了待测杆件轴线所处的一个三维平面。换一个角度对待测杆件进行拍摄，采用上述同样的方法可以得到待测杆件轴线所处的另一个三维平面。
理论上，由于两次拍摄的位置不同，经纬度发生了变化，地磁北极的方向也会发生变化，但由于两次拍摄点之间的距离远小于拍摄点到地磁北极的距离，这种变化完全可以忽略不计，本申请中认为两次拍摄时所采用的全局坐标系是同一坐标系。
设定两次拍摄时得到的全局空间直角坐标系下的两个平面法向量分别为
Figure BDA0002825206480000091
和
Figure BDA0002825206480000092
则待测杆件的轴线法向量则为
Figure BDA0002825206480000093
从而可以得到待测杆件相对于全局坐标系的坐标轴和坐标平面的倾斜角度。
空间杆件倾斜角度的非接触式测量方法
如图4所示，采用上述测量设备和测量原理进行空间杆件倾斜角度的非接触式测量的方法，具体包括如下步骤：
1)建立全局空间直角坐标系O-XYZ、拍摄装置局部空间直角坐标系o-xyz以和局部平面直角坐标系o′-x′z′。
2)确定待测杆件，在第一拍摄方向采用拍摄装置对待测杆件进行第一次拍摄，拍摄时拍摄装置内置三维电子罗盘和图像识别功能自动识别和记录第一组角度参数θ(1)、φ(1)、γ(1)，计算分析模块根据第一组角度参数θ(1)、φ(1)、γ(1)计算得到待测杆件轴线所处第一空间平面的法向向量
Figure BDA0002825206480000094
第一拍摄方向与待测杆件轴向不平行。
3)在第二拍摄方向下采用拍摄装置对待测杆件进行第二次拍摄，拍摄时拍摄装置内置三维电子罗盘和图像识别功能自动识别和记录第二组角度参数θ(2)、φ(2)、γ(2)，计算分析模块根据第二组角度参数θ(2)、φ(2)、γ(2)计算得到待测杆件轴线所处第二空间平面的法向向量
Figure BDA0002825206480000095
第二拍摄方向需保证第一拍摄方向和第二拍摄方向与待测杆件不在同一空间平面内。
第一空间平面的法向向量
Figure BDA0002825206480000096
和第二空间平面的法向向量
Figure BDA0002825206480000097
根据下式计算得到：
Figure BDA0002825206480000098
式中，
Figure BDA0002825206480000099
为拍摄方向上的单位向量；
Figure BDA00028252064800000910
为待测杆件轴线在拍摄面上的投影方向的单位向量，
Figure BDA0002825206480000101
4)计算分析模块根据第一空间平面的法向向量
Figure BDA0002825206480000102
第二空间平面的法向向量
Figure BDA0002825206480000103
计算待测杆件轴线所处空间方向的方向向量
Figure BDA0002825206480000104
5)计算分析模块根据
Figure BDA0002825206480000105
计算待测杆件轴线相对水平面或其他平面的倾斜角度。
上述测量方法利用地磁场和重力等自然条件确定空间直线方向向量和空间平面法向向量；通过定位拍摄装置的空间姿态，结合图像识别技术确定空间杆件(大长细比构件)轴线所处空间平面；通过寻找空间杆件轴线所处的两个空间平面的方式确定空间杆件轴线方向，进而获得空间杆件倾斜角度。
测量方法具体实施案例
假设两次拍摄时拍摄装置自动识别和记录的角度如下：
第一次拍摄：θ(1)＝45°,φ(1)＝30°,γ(1)＝30°，
第二次拍摄：θ(2)＝90°,φ(2)＝60°,γ(2)＝45°。
根据公式
Figure BDA0002825206480000106
Figure BDA0002825206480000107
则第一次拍摄时，计算得到：
拍摄方向向量
Figure BDA0002825206480000108
待测杆件轴线在拍摄面上的投影
Figure BDA0002825206480000109
待测杆件轴线所处空间平面法向向量
Figure BDA00028252064800001010
第二次拍摄时，计算得到：
拍摄方向向量
Figure BDA00028252064800001011
待测杆件轴线在拍摄面上的投影
Figure BDA00028252064800001012
待测杆件轴线所处空间平面法向向量
Figure BDA00028252064800001013
根据两次拍摄得到的两个待测杆件轴线所处空间平面法向向量
Figure BDA0002825206480000111
和
Figure BDA0002825206480000112
两者向量积可得到待测杆件轴线方向向量在全局坐标系O-XYZ下的表达式为：
Figure BDA0002825206480000113
设定待测杆件轴线与全局坐标系O-XYZ的Z轴之间的角度为
Figure BDA0002825206480000116
则
Figure BDA0002825206480000114
则
Figure BDA0002825206480000115
因此，得到待测杆件与水平面之间的夹角约为53.35°。采用同样的方法可以计算待测杆件与其他坐标轴或坐标平面之间的夹角。同时，也可以通过坐标转换计算该待测杆件相对其他坐标系的坐标轴和坐标平面之间的夹角。
杆件或类似杆件的大长细比构件在工业、建筑、结构等领域被广泛应用。本申请对这类构件统称杆件。本发明利用地磁场、重力等自然条件对拍摄装置的位置及拍摄方向进行定位，结合图像识别技术确定待测杆件所处的空间平面。通过选择两个不同的方向对空间杆件进行拍摄，确定待测杆件所处的两个不同的空间平面，进一步得到待测杆件轴线的空间方向向量，从而计算待测杆件相对于选定坐标系的角度，实现非接触地、方便快捷地测量空间任意杆件相对指定坐标系的倾斜角度。该方法测量过程中选择两个不同的角度对待测杆件进行拍摄，其他所有定位、识别、计算等功能均集成在拍摄装置中，测量方便快捷，适用于绝大多数环境下对空间杆件角度的测量。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：采用非接触式测量，不需要接近待测杆件，方便快捷，测量工作无安全隐患；不需要对设备进行固定，无需特意安装或固定设备，使用更方便；该方法测量过程只需要选择两个不同的角度对杆件进行拍摄，操作简单；拍摄角度几乎可以任意选择，适用于几乎所有复杂环境中的测量；对杆件轴线的定位从三维转化到二维，定位更加准确，且适用于变截面杆件。
通过测量与本申请不同的初始参量，但采用与本申请方法相近或类似的手段定位空间直线、空间平面，进而确定被测构件或设备的空间姿态的方法均应属于本发明的保护范围。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间杆件倾斜角度的非接触式测量方法，其特征在于，采用测量设备进行测量，所述测量设备包括用于对待测杆件进行拍摄的拍摄装置以及设置在所述拍摄装置内的拍摄装置空间姿态定位模块、图像识别模块以及计算分析模块，所述拍摄装置空间姿态定位模块用于定位和识别所述拍摄装置的空间姿态，所述图像识别模块用于识别拍摄视野中所述待测杆件轴线在拍摄面上的成像，所述计算分析模块用于根据所述拍摄装置空间姿态定位模块和图像识别模块识别和记录的参数，进行空间坐标的转化，计算所述待测杆件的倾斜角度；
所述测量方法包括如下步骤：
1)建立全局空间直角坐标系O-XYZ、拍摄装置局部空间直角坐标系o-xyz以及局部平面直角坐标系o′-x′z′，所述全局空间直角坐标系O-XYZ用于描述所述待测杆件的空间倾斜角度、相对坐标轴或坐标平面的倾斜角度、空间向量、空间平面；所述拍摄装置局部空间直角坐标系o-xyz用于描述每次拍摄时所述拍摄装置的空间姿态；所述局部平面直角坐标系o′-x′z′用于在拍摄面内描述待测杆件轴线投影方向；
2)确定待测杆件，在第一拍摄方向采用所述拍摄装置对所述待测杆件进行第一次拍摄，得到第一组角度参数θ(1)、φ(1)、γ(1)，所述计算分析模块根据所述第一组角度参数计算得到待测杆件轴线所处第一空间平面的法向向量
Figure FDA0002825206470000011
3)在第二拍摄方向下采用所述拍摄装置对所述待测杆件进行第二次拍摄，得到第二组角度参数θ(2)、φ(2)、γ(2)，所述计算分析模块根据所述第二组角度参数计算得到所述待测杆件轴线所处第二空间平面的法向向量
Figure FDA0002825206470000012
4)所述计算分析模块根据第一空间平面的法向向量
Figure FDA0002825206470000013
第二空间平面的法向向量
Figure FDA0002825206470000014
计算所述待测杆件轴线所处空间方向的方向向量
Figure FDA0002825206470000015
5)所述计算分析模块根据方向向量
Figure FDA0002825206470000016
计算待测杆件轴线相对水平面或其他平面的倾斜角度。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述第一拍摄方向与所述待测杆件轴向不平行。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述第二拍摄方向需保证所述第一拍摄方向和第二拍摄方向与所述待测杆件不在同一空间平面内。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述角度参数中θ为拍摄方向在全局空间直角坐标系O-XYZ中水平面的投影与X轴之间的夹角，φ为拍摄方向与全局空间直角坐标系O-XYZ中水平面之间的夹角，γ为待测杆件轴线方向与局部平面直角坐标系o′-x′z′的z′轴之间的夹角。
5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤2)和步骤3)中的空间平面的法向向量
Figure FDA0002825206470000021
为：所述待测杆件的轴线位于以拍摄方向的单位向量
Figure FDA0002825206470000022
与待测杆件在拍摄面上的投影方向的单位向量
Figure FDA0002825206470000023
的矢量积为法向的平面内，将该法向向量为
Figure FDA0002825206470000024
法向向量
Figure FDA0002825206470000025
按照如下公式计算得到：
Figure FDA0002825206470000026
式中，
Figure FDA0002825206470000027
为拍摄方向上的单位向量；
Figure FDA0002825206470000028
为待测杆件轴线在拍摄面上的投影方向的单位向量。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述拍摄方向上的单位向量
Figure FDA0002825206470000029
与局部平面直角坐标系o-xyz中的y轴重合。
7.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述空间平面的法向向量
Figure FDA00028252064700000210
计算公式中的
Figure FDA00028252064700000211
通过下式计算得到：
Figure FDA00028252064700000212
式中，θ、φ和γ为对应拍摄得到的角度参数。
8.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述待测杆件轴线所处空间方向的方向向量
Figure FDA00028252064700000213
通过如下公式计算得到：
Figure FDA00028252064700000214
9.一种空间杆件倾斜角度的非接触式测量设备，其特征在于，包括用于对待测杆件进行拍摄的拍摄装置以及设置在所述拍摄装置内的拍摄装置空间姿态定位模块、图像识别模块以及计算分析模块，所述拍摄装置空间姿态定位模块用于定位和识别所述拍摄装置的空间姿态，所述图像识别模块用于识别拍摄视野中所述待测杆件轴线在拍摄面上的成像，所述计算分析模块用于根据所述拍摄装置空间姿态定位模块和图像识别模块识别和记录的参数，进行空间坐标的转化，计算所述待测杆件的倾斜角度。
10.根据权利要求9所述的测量设备，其特征在于，所述拍摄装置空间姿态定位模块包括三维电子罗盘。
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