CN113701687B - 空间曲线长度测量系统及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种空间曲线长度测量系统及测量方法，其中所述测量系统包括：坐标测量单元，其用于依次测量待测空间曲线上各个测量点的空间极坐标，所述待测空间曲线上每相邻两个测量点之间的线条近似为直线；坐标转化单元，其用于将所述待测空间曲线上各个测量点的空间极坐标分别转化为空间直角坐标；以及，计算单元，其用于根据所述待测空间曲线上各个测量点的空间直角坐标计算出所述待测空间曲线的长度值。本发明提供的技术方案先测量空间曲线上各个测量点的空间极坐标，然后转化成空间直角坐标，再利用空间直角坐标直接计算出空间曲线的长度，解决了现有技术中直接测量方式和间接测量方式均无法满足空间曲线长度测量需求的技术问题。

Description

空间曲线长度测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及尺寸测量技术领域，尤其涉及一种空间曲线长度测量系统，以及一种空间曲线长度测量方法。
背景技术
日常生活中，常见的尺寸测量方法包括直接测量和间接测量。直接测量借助于直尺、卷尺、卡尺等，直接将测量工具和被测对象接触对齐，通过读取测量尺的刻度，来直接获取被测对象的尺寸，其优点是测量过程便捷、测量结果直接，缺点是在测量过程中测量工具必须接触到被测对象，对于无法接触到的被测对象，该类工具无法实现长度的测量；另外，受限于测量工具的长度，直接测量工具的测量的范围较小，对于长度较大的被测对象，无法完成测量的目的。间接测量借助于激光测距仪、超声波测距仪、红外线测距仪等，通过测量光或者超声波在两点之间的传输时间，间接地计算出两点间的距离，其优点是不需要完全接触被测对象，测量范围大等优点。
在实际工作中，除了直接测量两点之间的距离之外，还会有测量不规则的立体空间轨迹长度的需求，比如测量附着在一面不规则墙体上弯曲的线缆的长度(如图1所示，测量不在同一个平面上的曲线AB的长度)。而现有的直接测量方式和间接测量方式均无法满足空间曲线长度测量需求。
发明内容
为了至少部分解决现有技术中直接测量方式和间接测量方式均无法满足空间曲线长度测量需求的技术问题而完成了本发明。
根据本发明的一方面，提供一种空间曲线长度测量系统，包括：
坐标测量单元，其用于依次测量待测空间曲线上各个测量点的空间极坐标，所述待测空间曲线上每相邻两个测量点之间的线条近似为直线；
坐标转化单元，其用于将所述待测空间曲线上各个测量点的空间极坐标分别转化为空间直角坐标；以及，
计算单元，其用于根据所述待测空间曲线上各个测量点的空间直角坐标计算出所述待测空间曲线的长度值。
根据本发明的另一方面，提供一种空间曲线长度测量方法，包括：
依次测量待测空间曲线上各个测量点的空间极坐标，所述待测空间曲线上每相邻两个测量点之间的线条近似为直线；
将所述待测空间曲线上各个测量点的空间极坐标分别转化为空间直角坐标；以及，
根据所述待测空间曲线上各个测量点的空间直角坐标计算出所述待测空间曲线的长度值。
本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明提供的空间曲线长度测量系统及方法，先建立待测空间曲线的空间极坐标模型，然后根据空间直角坐标系和空间极坐标系的对应关系得出待测空间曲线上各个测量点的空间直角坐标，最后基于各个测量点的空间直角坐标计算出待测空间曲线的长度，从而利用空间坐标变换和极限思想间接测量空间曲线长度，能够对三维空间中任何曲线的长度进行测量，并且算法简单、准确度高、成本较低。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为附着在不规则墙体上空间不规则曲线AB的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种空间曲线长度测量系统的结构示意图及其中坐标测量单元的放大示意图；
图3为图2所示结构的空间曲线长度测量系统的测距原理示意图；
图4为针对图2所示结构的空间曲线长度测量系统的空间极坐标与空间直角坐标对应关系示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种空间曲线长度测量系统的结构示意图；
图6为图5所示结构的空间曲线长度测量系统的测距原理示意图；
图7为针对图5所示结构的空间曲线长度测量系统的空间极坐标与空间直角坐标对应关系示意图；
图8为本发明实施例提供的空间曲线长度测量方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序；并且，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
针对目前存在的测量不在一个平面上的空间曲线长度的需求，本发明实施例提供了一种空间曲线长度测量系统，包括：坐标测量单元、坐标转化单元和计算单元。
其中，坐标测量单元用于依次测量待测空间曲线上各个测量点的空间极坐标，所述待测空间曲线上每相邻两个测量点之间的线条近似为直线，至于两点之间线条的曲率达到多少才近似为直线，可由本领技术人员根据实际情况进行设定与调整；坐标转化单元用于将所述待测空间曲线上各个测量点的空间极坐标分别转化为空间直角坐标；计算单元用于根据所述待测空间曲线上各个测量点的空间直角坐标计算出所述待测空间曲线的长度值。
本实施例中，先测量空间曲线上各个测量点的空间极坐标，然后转化成空间直角坐标，再利用空间直角坐标直接计算出空间曲线的长度，完全满足空间内任何曲线的长度测量需求。
如图2和图3所示，在一种具体实施方式中，坐标测量单元100包括：第一转动组件101、激光测距仪102、第一水平角度传感器(图中未示出)和第一垂直角度传感器(图中未示出)。
其中，第一转动组件101能够沿水平及竖直方向转动；激光测距仪102设置在第一转动组件101上，用于在第一转动组件101的带动下沿水平与竖直方向旋转并依次测量所述待测空间曲线AB上各个测量点与激光发射点之间的距离；第一水平角度传感器设置在第一转动组件101上，用于在激光测距仪102测距过程中测量其水平旋转角度；第一垂直角度传感器设置在第一转动组件101上，用于在激光测距仪102测距过程中测量其竖直旋转角度。
本实施例中，激光测距仪102用来测量激光发射点(图2和图3中的O点)到待测空间曲线AB上各个测量点之间的距离，并且在第一转动组件101的带动下，激光测距仪102可以在水平和竖直方向上旋转一定的角度，从而使其发射的激光落在待测空间曲线AB上以形成各个测量点(也可称为激光反射点)，并完成测距。水平角度传感器用以测量激光测距仪102在测量过程中在水平面(即图4所示平面X-O-Y)的转动角度；垂直角度传感器用以测量激光测距仪102在测量过程中在竖直面(即图4所示平面X-O-Z)的转动角度。
针对图2和图3所示结构的坐标测量单元100，待测空间曲线AB的长度测量问题可抽象为如下数学模型。
如图4所示，设三维空间内任意点A，它在空间直角坐标系中的坐标为(x,y,z)，在空间极坐标系的坐标为(r,a,b)。其中r是点A到原点O的距离；a是通过Z轴和点A的半平面与坐标面ZOX所构成的角；b是线段OA与Z轴正方向的夹角。
(r,a,b)的取值范围是：
空间直角坐标系和空间极坐标系对应的关系如下：
在空间中的点A的极坐标可通过坐标测量单元100得到，即(r,a,b)。其中r为激光测距仪测量得到的数据，a和b分别为第一水平角度传感器和第一垂直角度传感器测量得到的数据。由此可以根据公式(二)计算出点A在空间直角坐标系中的坐标(x,y,z)。
基于上述数学模型，本实施例中，坐标转化单元采用以下公式完成坐标转化：
其中，xi、yi和zi分别为所述待测空间曲线上第i个测量点相对于激光发射点的x坐标、y坐标和z坐标；ri为所述待测空间曲线上第i个测量点与激光发射点之间的距离；ai和bi分别为所述激光测距仪在测量所述待测空间曲线上第i个测量点与激光发射点之间距离时的水平旋转角度和竖直旋转角度；i依次取1至n，且n为所述待测空间曲线上所有测量点的总数。
除此之外，在实际应用过程中，激光测距仪102在第一转动组件101的带动下，只能在竖直方向和水平方向转动，而激光测距仪的位置是固定不动的。由此可能导致在一些特殊的应用场景下激光测距存在遮挡的可能性，例如图6所示的应用场景。本发明在此给出一类解决方案，为激光测距仪增加一个长度固定且可摆动的单臂(称之为摆臂)，如图5和图6所示，摆臂103上下两端均连接水平和竖直方向的旋转装置(即第一转动组件101和第二转动组件104)，使得摆臂103和激光测距仪102都可以在水平和竖直方向上进行角度调整。下面将进行详细描述。
在一种具体实施方式中，坐标测量单元100还包括：摆臂103、第二转动组件104、第二水平角度传感器(图中未示出)和第二垂直角度传感器(图中未示出)。
其中，摆臂103上端与第一转动组件101连接；第二转动组件104与摆臂103的下端连接，用于带动摆臂103沿水平与竖直方向旋转；第二水平角度传感器设置在第二转动组件104上，用于在激光测距仪102测距过程中测量摆臂103的水平旋转角度；第二垂直角度传感器设置在第二转动组件104上，用于在激光测距仪102测距过程中测量摆臂103的竖直旋转角度。
本实施例中，通过增加摆臂103和第二转动组件104，可以调整激光测距仪的激光发射位置(如图6所示)，避免遮挡。
针对图5和图6所示结构的坐标测量单元100，待测空间曲线AB的长度测量问题可抽象为如下数学模块。
如图7所示，以摆臂103的下端为原点O，重新构建空间极坐标系。其中，T是摆臂长度；α是摆臂的水平旋转角度，为第二水平角度传感器测量得到的数据；β是摆臂的竖直旋转角度，为第二垂直角度传感器测量得到的数据；r为激光测距仪测量得到的数据；a是激光测距仪的水平旋转角度，为第一水平角度传感器测量得到的数据；b是激光测距仪的竖直旋转角度，为第一垂直角度传感器测量得到的数据。
对于三维空间内任意点A，在空间直角坐标系中的位置坐标可以表示为：
设T＝1m，由此可以得到空间任一点A的位置坐标为：
基于上述数学模型，本实施例中，坐标转化单元采用以下公式完成坐标转化：
其中，xi、yi和zi分别为所述待测空间曲线上第i个测量点相对于摆臂下端的x坐标、y坐标和z坐标；ri为所述待测空间曲线上第i个测量点与激光发射点之间的距离；ai和bi分别为所述激光测距仪在测量所述待测空间曲线上第i个测量点与激光发射点之间距离时的水平旋转角度和竖直旋转角度；T为摆臂的长度；αi和βi分别为所述激光测距仪在测量所述待测空间曲线上第i个测量点与激光发射点之间距离时摆臂的水平旋转角度与竖直旋转角度；i依次取1至n，且n为所述待测空间曲线上所有测量点的总数。
利用极限思想可知，空间曲线上任意两个间隔足够小的点之间可以近似为直线，通过这种“化曲为直”的思想，可在空间曲线上取足够多的点(如图3所示)，先通过坐标测量单元获取这些点的极坐标，再利用坐标转化单元将这些点的极坐标转化为直角坐标，然后就可通过计算单元计算得出待测空间曲线AB的长度值。
假设待测空间曲线AB上各个测量点的直角坐标坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、…、(xn,yn,zn)，可以通过如下方式计算出待测空间曲线AB的长度L。
在一种具体实施方式中，计算单元采用如下公式计算所述待测空间曲线的长度：
其中，L为所述待测空间曲线的长度；n为所述待测空间曲线上所有测量点的总数；xi、yi和zi分别为所述待测空间曲线上第i个测量点的x坐标、y坐标和z坐标；xi+1、yi+1和zi+1分别为所述待测空间曲线上第i+1个测量点的x坐标、y坐标和z坐标。
通过上述的计算过程，可以得到空间内任意曲线的长度值。
在一种具体实施方式中，所述测量系统还包括：固定支架200，坐标测量单元100设置在所述固定支架200上。
固定支架200起到固定坐标测量单元100的作用。对于图2所示结构的坐标测量单元，固定支架200采用三脚架；对于图5所示结构的坐标测量单元，固定支架200采用固定座。
在一种具体实施方式中，所述测量系统还包括：存储单元(图中未示出)，其用于存储所述计算单元得出的所述待测空间曲线的长度值。
本实施例中，通过设置存储单元对计算单元得出的计算结果，即待测空间曲线AB的长度值进行存储，以备后用。存储单元可采用现有的存储器件，本发明对此不做限制。
在一种具体实施方式中，所述测量系统还包括：显示器300(如图2所示)，其用于显示所述计算单元得出的所述待测空间曲线的长度值。
本实施例中，通过设置显示器300，可实时显示待测空间曲线的长度测量结果。除此之外，还可视需求显示其他必要的数据信息。
在一种具体实施方式中，所述测量系统还包括：加密传输单元(图中未示出)。
加密传输单元用于采用对称加密算法对所述计算单元得出的所述待测空间曲线的长度值进行加密，再将加密后的待测空间曲线长度值传输至云平台。优选通过5G网络将加密后的测量结果传输至云平台。
目前，测量装置的测量结果可通过人工记录，也可自动记录至存储介质中，无论哪种记录方式都无法避免发生数据篡改。为了解决这一问题，本实施例中，通过设置加密传输单元(如采用数据加密传输模块)，对空间曲线长度测量结果进行加密后再通过5G网络实时传送至云平台，由于存储在测量系统中的对称秘钥是不可读取的，可防止非授权情况下获取加密秘钥，而云平台管理员只有在获取加密秘钥的前提下才能解密信息并获取真实的测量结果，从而能够有效避免测量结果被篡改。
本发明实施例提供的空间曲线长度测量系统，其基本原理是：构建空间极坐标系，利用激光测距仪、摆臂、水平角度传感器和垂直角度传感器建立待测空间曲线的空间极坐标模型，然后根据空间直角坐标系和空间极坐标系的对应关系得出待测空间曲线上各个测量点的空间直角坐标，最后基于各个测量点的空间直角坐标计算出待测空间曲线的长度，从而利用空间坐标变换和极限思想间接测量空间曲线长度，能够对三维空间中任意曲线(包括规则曲线与不规则曲线)的长度进行测量，并且算法简单、准确度高、成本较低。
图8为本发明实施例提供的空间曲线长度测量方法的流程图。如图8所示，所述测量方法包括如下步骤S801至S803。
S801.依次测量待测空间曲线上各个测量点的空间极坐标，所述待测空间曲线上每相邻两个测量点之间的线条近似为直线；
S802.将所述待测空间曲线上各个测量点的空间极坐标分别转化为空间直角坐标；
S803.根据所述待测空间曲线上各个测量点的空间直角坐标计算出所述待测空间曲线的长度值。
在一种具体实施方式中，步骤S803采用如下公式计算所述待测空间曲线的长度：
其中，L为所述待测空间曲线的长度；n为所述待测空间曲线上所有测量点的总数；xi、yi和zi分别为所述待测空间曲线上第i个测量点的x坐标、y坐标和z坐标；xi+1、yi+1和zi+1分别为所述待测空间曲线上第i+1个测量点的x坐标、y坐标和z坐标。
在一种具体实施方式中，还包括如下步骤：
S804.存储步骤S803得出的所述待测空间曲线的长度值。
在一种具体实施方式中，还包括如下步骤：
S805.显示步骤S803得出的所述待测空间曲线的长度值。
在一种具体实施方式中，还包括如下步骤：
S806.采用对称加密算法对步骤S803得出的所述待测空间曲线的长度值进行加密，再将加密后的待测空间曲线长度值传输至云平台。
需要说明的是，上述步骤的顺序只是为了说明本发明实施例而提出的一个具体实例，本发明对上述步骤的顺序不做限定，本领域技术人员在实际应用中可按需对其进行调整。
本发明实施例提供的空间曲线长度测量方法，先建立待测空间曲线的空间极坐标模型，然后根据空间直角坐标系和空间极坐标系的对应关系得出待测空间曲线上各个测量点的空间直角坐标，最后基于各个测量点的空间直角坐标计算出待测空间曲线的长度，从而利用空间坐标变换和极限思想间接测量空间曲线长度，能够对三维空间中任意曲线(包括规则曲线与不规则曲线)的长度进行测量，并且算法简单、准确度高、成本较低。
综上所述，本发明实施例提供的空间曲线长度测量系统及测量方法，可用于测量空间中任意曲线的长度，同时对测量结果进行加密传输，有效解决了空间不规则曲线的长度测量问题及测量结果的安全传输问题。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种空间曲线长度测量系统，其特征在于，包括：
坐标测量单元，其用于依次测量待测空间曲线上各个测量点的空间极坐标，所述待测空间曲线上每相邻两个测量点之间的线条近似为直线；
坐标转化单元，其用于将所述待测空间曲线上各个测量点的空间极坐标分别转化为空间直角坐标；以及，
计算单元，其用于根据所述待测空间曲线上各个测量点的空间直角坐标计算出所述待测空间曲线的长度值；
所述坐标测量单元包括：
第一转动组件，其能够沿水平及竖直方向转动；
激光测距仪，其设置在第一转动组件上，用于在第一转动组件的带动下沿水平与竖直方向旋转并依次测量所述待测空间曲线上各个测量点与激光发射点之间的距离；
第一水平角度传感器，其设置在第一转动组件上，用于在激光测距仪测距过程中测量其水平旋转角度；
第一垂直角度传感器，其设置在第一转动组件上，用于在激光测距仪测距过程中测量其竖直旋转角度；
摆臂，其上端与第一转动组件连接；
第二转动组件，其与摆臂的下端连接，用于带动摆臂沿水平与竖直方向旋转；
第二水平角度传感器，其设置在第二转动组件上，用于在激光测距仪测距过程中测量摆臂的水平旋转角度；以及，
第二垂直角度传感器，其设置在第二转动组件上，用于在激光测距仪测距过程中测量摆臂的竖直旋转角度。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述坐标转化单元采用以下公式完成坐标转化：
其中，xi、yi和zi分别为所述待测空间曲线上第i个测量点相对于激光发射点的x坐标、y坐标和z坐标；ri为所述待测空间曲线上第i个测量点与激光发射点之间的距离；ai和bi分别为所述激光测距仪在测量所述待测空间曲线上第i个测量点与激光发射点之间距离时的水平旋转角度和竖直旋转角度；i依次取1至n，且n为所述待测空间曲线上所有测量点的总数。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述坐标转化单元采用以下公式完成坐标转化：
其中，xi、yi和zi分别为所述待测空间曲线上第i个测量点相对于摆臂下端的x坐标、y坐标和z坐标；ri为所述待测空间曲线上第i个测量点与激光发射点之间的距离；ai和bi分别为所述激光测距仪在测量所述待测空间曲线上第i个测量点与激光发射点之间距离时的水平旋转角度和竖直旋转角度；T为摆臂的长度；αi和βi分别为所述激光测距仪在测量所述待测空间曲线上第i个测量点与激光发射点之间距离时摆臂的水平旋转角度与竖直旋转角度；i依次取1至n，且n为所述待测空间曲线上所有测量点的总数。
4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，还包括：固定支架，所述坐标测量单元设置在所述固定支架上。
5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述计算单元采用如下公式计算所述待测空间曲线的长度：
其中，L为所述待测空间曲线的长度；n为所述待测空间曲线上所有测量点的总数；xi、yi和zi分别为所述待测空间曲线上第i个测量点的x坐标、y坐标和z坐标；xi+1、yi+1和zi+1分别为所述待测空间曲线上第i+1个测量点的x坐标、y坐标和z坐标。
6.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，还包括：
存储单元，其用于存储所述计算单元得出的所述待测空间曲线的长度值；和/或，
显示器，其用于显示所述计算单元得出的所述待测空间曲线的长度值。
7.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，还包括：
加密传输单元，其用于采用对称加密算法对所述计算单元得出的所述待测空间曲线的长度值进行加密，再将加密后的待测空间曲线长度值传输至云平台。
8.一种空间曲线长度测量方法，其特征在于，应用于权利要求1-7中任一项所述的空间曲线长度测量系统，所述方法包括：
采用坐标测量单元依次测量待测空间曲线上各个测量点的空间极坐标，所述待测空间曲线上每相邻两个测量点之间的线条近似为直线；
采用坐标转化单元将所述待测空间曲线上各个测量点的空间极坐标分别转化为空间直角坐标；以及，
采用计算单元根据所述待测空间曲线上各个测量点的空间直角坐标计算出所述待测空间曲线的长度值。
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