PL239498B1 - Urządzenie do pomiarów przemieszczeń - Google Patents

Abstract

Sposób pomiarów przemieszczeń, przy udziale urządzenia będącego przedmiotem zgłoszenia, polega na tym, że ramę odniesienia (3) zaopatrzoną w reflektor zwrotny (16), mającą zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych xryrzr, w którym wyznaczone jest położenie sygnałów odniesienia (11), łączy się, za pomocą śrub mocujących (10), z elementem odniesienia (2). Tarczę pomiarową (4), mającą zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych xtytzt, w którym wyznaczone jest położenie sygnałów kontrolowanych (12), przytwierdza się za pomocą śrub mocujących (10) do elementu pomiarowego (1). Do ramy odniesienia (3) przymocowuje się poziomnicę elektroniczną (14), mającą zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych xpypzp. Kamerę elektroniczną (6), zaopatrzoną w reflektor zwrotny (16), mającą zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych xkykzk, umieszcza się tak, aby obiektyw zwrócony był w stronę ramy odniesienia (3) i tarczy pomiarowej (4). Następnie cyklicznie rejestruje się wskazania poziomnicy elektronicznej (14), obrazy wykonane kamerą elektroniczną (6) i wykonane obserwacje geodezyjne (kąty poziome, pionowe i odległości) do reflektorów zwrotnych (16), po czym przesyła się je do systemu centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD) (7), gdzie następuje ich archiwizacja i przetworzenie, opierające się na odpowiednich procedurach obliczeniowych. Pozwala to wyznaczyć przemieszczenia względne tarczy pomiarowej (4) w stosunku do ramy odniesienia (3), w nawiązaniu do kartezjańskiego układu współrzędnych xkykzk kamery elektronicznej (6), odniesione do linii pionu, realizowanej przez oś zp kartezjańskiego układu współrzędnych poziomnicy elektronicznej xpypzp oraz w odniesieniu do kartezjańskiego geodezyjnego układu współrzędnych XGYGZG. Urządzenie zawiera kamerę elektroniczną (6) i poziomnicę elektroniczną (14), połączone z systemem CRPD (7) oraz ramę odniesienia (3) z naniesionymi sygnałami odniesienia (11) i tarczę pomiarową (4) z sygnałami kontrolowanymi (12) i reflektorami zwrotnymi (16).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do pomiarów przemieszczeń względnych, takich jak: translacja i rotacja, zwłaszcza na obiektach naturalnych (przyrody nieożywionej np. bloki skalne) i inżynierskich (np. budynki, budowle itp.), odniesionych do linii pionu oraz do zewnętrznego geodezyjnego układu współrzędnych XYZ.

W przypadku pomiarów szczelin dylatacyjnych, pęknięć w konstrukcji budowli i budynków oraz przesunięć struktur tektonicznych w strefach uskokowych wykorzystuje się względne metody pomiaru, wraz ze specjalistycznym oprzyrządowaniem. Obserwacje przemieszczeń wykonywane są z zastosowaniem: metod geodezyjnych i fotogrametrycznych, umożliwiające odniesienie ich wyników do stałych układów odniesienia, jak również przyrządów mechanicznych oraz czujników, wykorzystujących w pomiarach zjawiska fizyczne, takie jak: indukcyjność, pojemność czy rezystancja, które umożliwiają odniesienie otrzymanych wyników pomiarów do niestałych układów odniesienia.

Współczesny nadzór geodezyjny, na etapach powstawania, diagnozowania i prognozowania występujących na badanych obiektach deformacji, odkształceń i przemieszczeń, korzysta z najnowszych osiągnięć z zakresu mechaniki precyzyjnej i optoelektroniki. Przyczyniło się to do budowy nowoczesnych urządzeń pomiarowych, które pozwalają na wykonanie zautomatyzowanych i telemetrycznych obserwacji w czasie rzeczywistym.

Zasady pomiarów przemieszczeń względnych i bezwzględnych opisane są w licznej literaturze fachowej [Lazzarini T: Geodezyjne pomiary przemieszczeń budowli i ich otoczenia, PPWK, Warszawa 1977; Bryś H. i Przewłocki S.: Geodezyjne metody pomiarów przemieszczeń budowli, PWN, Warszawa 1998] oraz w obowiązujących normach krajowych [PN-N-02211: Geodezja - Geodezyjne wyznaczanie przemieszczeń - Terminologia podstawowa, PKN, 2000] i międzynarodowych [Engineer Manual EM 1110-2-1009: Structural Deformation Surveying, U.S. Army Corps of Engineers, Washington 2018].

W opisie patentu PL 207417 podano urządzenie, przeznaczone do pomiaru wartości przemieszczenia względnego przedmiotów, które wyposażone jest w źródło światła i liniową matrycę światłowodową, z której sygnały świetlne przesyłane są światłowodami do układu pomiarowego, zawierającego fotodetektor połączony ze wzmacniaczem. Pomiędzy źródłem światła a liniową matrycą światłowodową, której światłowody połączone są z układem pomiarowym, jest umieszczona przesuwnie ruchoma przysłona, przy czym wzdłuż przysłony są umieszczone na przemian paski przezroczyste i nieprzezroczyste.

Ponadto znany jest z opisu patentu PL 217348 system pomiarów zmian długości między znakami pomiarowymi, dotyczący pomiarów względnych zmian długości odcinków, w wyniku których wyznacza się odkształcenia gruntu lub obiektu między znakami pomiarowymi, wyznaczającymi dany odcinek. Cechą charakterystyczną tego wynalazku jest to, że do znaku pomiarowego, wyznaczającego jeden z końców mierzonego odcinka, zamocowane jest trwale cięgno, które przewieszone jest przez krążek zamontowany na płycie pomiarowej, założonej na drugi znak pomiarowy, wyznaczający drugi koniec odcinka. Na płycie pomiarowej zamontowana jest kamera oraz podziałka liniowa, a do cięgna zamocowany jest wskaźnik odczytowy, przy czym koniec cięgna wyposażony jest w obciążnik. Obraz wskaźnika odczytowego na tle podziałki liniowej rejestrowany jest kamerą i przesyłany przewodami zasilająco-sygnałowymi do rejestratora.

Znane są przyrządy mechaniczne [katalog GOECKE: Der Ausruster fur die Vermessungstechnik GK 7, s. 59, www.goecke.de], wyposażone w podziałki, służące do monitorowania pęknięć w konstrukcji budowli w dwóch lub w trzech kierunkach (Riss-Spion 101-RS1, Riss-Spion 101-RS2, Riss-Spion 101RS3 i Rissmonitor 101-TT4). W zależności od prognozowanych przemieszczeń przyrządy te montuje się na badanym obiekcie w różnych konfiguracjach. Z użyciem tych przyrządów można monitorować występujące względne przemieszczenia występujące na badanych obiektach. Przyrządy te składają się z dwóch wzajemnie przesuwających się płytek, na których naniesione są, z odpowiednią dokładnością, podziałki liniowe. Płytki te mogą być wykonane z materiału przeźroczystego lub nieprzeźroczystego.

Znany jest z literatury szczelinomierz TM-71 [Kostak B., 1991: “Combined indicator using moire technique”, Balkema, Rotterdam, ISBN 9054100257, 53-61]. Urządzenie składa się z dwóch indykatorów zorientowanych w dwóch prostopadłych płaszczyznach xy oraz xz. Każdy indykator składa się z pary szklanych płytek, z wytrawionymi siatkami spiralnymi, z hiperbolicznym prążkowaniem (tarcza kołowa), oraz liniowymi, z równoległym prążkowaniem, które wyznaczają dwie prostokątne powierzchnie interferencyjne. Ramiona szczelinomierza TM-71, przymocowane do bloków skalnych na skrzydłach uskoku, przenoszą ich ruchy względne, które następnie rejestrowane są przez siatki główne oraz liniowe szczelinomierza. Obserwowane prążki Moire’a na siatkach spiralnych powstają w wyniku superpozycji

PL 239 498 B1 regularnych struktur geometrycznych (spirale), wytrawionych na szklanych płytkach, z chwilą zmiany położenia jednej płytki względem drugiej. Zmiana położenia płytek związana jest z przemieszczeniem względnym bloków skorupowych. Natomiast prążki Moire’a na siatkach liniowych powstają na skutek różnicy gęstości światła przy przejściu przez obrócone względem siebie siatki liniowe w wyniku rotacji bloków skorupowych.

Znana jest metoda opracowania obrazów, pozyskanych za pomocą kamer metrycznych i niemetrycznych. Opisana w publikacji J. Butowtta i R. Kaczyńskiego metoda przetwarzania zdjęć o dowolnym kącie nachylenia względem przyjętej płaszczyzny odniesienia [Butowtt J. i Kaczyński R.: „Fotogrametria”, WAT, Warszawa 2003, str. 23+39], realizowana jest na podstawie znanych i stosowanych w fotogrametrii zasad geometrii rzutowej. Metoda płaskich przekształceń rzutowych bazuje na przekształceniu płaszczyzny w płaszczyznę, z wykorzystaniem co najmniej czterech odpowiadających sobie punktów homologicznych, przy założeniu, że żadne trzy punkty, spośród tych czterech, nie leżą na jednej prostej. Ta metoda przetwarzania pozwala wyeliminować zniekształcenia perspektywiczne, wynikające z nierównoległości wzajemnej płaszczyzn podlegających opracowaniu. W publikacji tej (na str. 126+130) opisane są również znane i stosowane w fotogrametrii procedury kalibracji kamer.

Problemem wskazanego stanu techniki jest to, że przyrządy mechaniczne nie pozwalają zautomatyzować sposobu prowadzonych obserwacji oraz nie pozwalają przesłać wyników tych obserwacj i do jednostki rejestrującej. Innym ograniczeniem, dostrzeżonym w opisach stosowanych urządzeń, są niewielkie zakresy pomiarowe oraz konieczność ciągłej dostępności do punktów pomiarowych, w miejscach prowadzonych obserwacji. W znanych urządzeniach wykorzystane może być także zjawisko interferencji oraz analiza prążków Moire’a, które w prawdzie umożliwiają uzyskanie wysokiej dokładności pomiarów, ale ograniczone są do niewielkiej przestrzeni obserwacji.

Dlatego okazało się, że wprowadzenie do zestawu pomiarowego metody fotogrametrycznej, pozwala na automatyczną rejestrację i transmisję wyników pomiarów oraz zdalny pomiar na pozyskanych obrazach, natomiast zastosowanie poziomnicy elektronicznej umożliwia odniesienie wyników pomiarów do linii pionu. Poziomnica pozwala wyznaczyć kąty pochylenia mierzonego obiektu w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach. Zastosowanie reflektorów zwrotnych umożliwia wykonanie, za pomocą instrumentu geodezyjnego, pomiarów geodezyjnych, w oparciu o które pomiary przemieszczeń, wykonane metodą fotogrametryczną i za pomocą poziomnicy elektronicznej, odnosi się do zewnętrznego geodezyjnego układu współrzędnych XYZ.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu pomiarów przemieszczeń i urządzenia pomiarowego, które umożliwią, na drodze przetworzenia fotogrametrycznego zarejestrowanych obrazów tarczy pomiarowej na tle ramy odniesienia, w sposób automatyczny i telemetryczny, określenie zmian położenia, tj. przesunięć i obrotów elementów pomiarowych jednego względem innego na obiekcie, w odniesieniu do linii pionu oraz do zewnętrznego geodezyjnego układu współrzędnych XYZ. Opracowany wynalazek może być stosowany jako pojedynczy zestaw lub zwielokrotniony na elementach obiektu. Pomiary geodezyjne, realizowane w oparciu o zewnętrzny geodezyjny układ współrzędnych XYZ, którym są punkty osnowy geodezyjnej, umożliwiają odniesienie względnych pomiarów przemieszczeń, wykonanych co najmniej jednym urządzeniem pomiarowym, do zewnętrznego geodezyjnego układu współrzędnych XYZ.

Istotą wynalazku jest to, że urządzenie zawiera ramę odniesienia, z naniesionymi co najmniej czterema sygnałami odniesienia, które są osadzone w jednej płaszczyźnie XrZr, w lokalnym kartezjańskim układzie współrzędnych XryrZr, przy czym, jeśli liczba sygnałów odniesienia wynosi m, to liczba sygnałów odniesienia, które nie mogą leżeć na jednej prostej, wynosi m-1, oraz zawiera tarczę pomiarową, z co najmniej czterema sygnałami kontrolowanymi, które są osadzone w jednej płaszczyźnie XtZt, w lokalnym kartezjańskim układzie współrzędnych XtytZt, przy czym, jeśli liczba sygnałów kontrolowanych wynosi k, to liczba sygnałów kontrolowanych, które nie mogą leżeć na jednej prostej, wynosi k-1. Kamera elektroniczna ma zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych XkykXk i połączona jest z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych oraz zwrócona jest obiektywem w stronę ramy odniesienia i tarczy pomiarowej, natomiast do ramy odniesienia przytwierdzona jest poziomnica elektroniczna, która ma zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych XpypZp, i połączona jest z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD), ponadto urządzenie posiada co najmniej dwa reflektory zwrotne, osadzone na dowolnym elemencie urządzenia, które umieszczone są w geodezyjnych punktach kontrolnych (Pi, P2,...), w odniesieniu do kartezjańskiego geodezyjnego układu współrzędnych XgYgZg.

PL 239 498 B1

Korzystnie jest, gdy system centralnej rejestracji i przetwarzania danych jest przenośnym mikrokomputerem.

Korzystnie również jest, gdy sygnały odniesienia mają postać kwadratów, zwłaszcza koloru białego i/lub czarnego.

Korzystnie także jest, gdy sygnały odniesienia mają postać albo koncentrycznych okręgów, albo koła, albo krzyża, albo znaku kodowego.

Korzystnie również jest, gdy sygnały odniesienia są rozmieszczone na ramie odniesienia w sposób regularny.

Korzystnie także jest, gdy sygnały kontrolowane mają postać kwadratów, zwłaszcza koloru białego i/lub czarnego.

Korzystnie także jest, gdy sygnały kontrolowane mają postać albo koncentrycznych okręgów, albo koła, albo krzyża, albo znaku kodowego.

Korzystnie również jest, gdy sygnały kontrolowane są rozmieszczone na ramie odniesienia w sposób regularny.

Korzystnie jest, gdy urządzenie zawiera wysięgnik.

Korzystnie również jest, gdy kamera elektroniczna połączona jest z wysięgnikiem w sposób rozłączny, za pomocą śruby sprzęgającej.

Korzystnie także jest, gdy kamera elektroniczna połączona jest z wysięgnikiem na stałe.

Korzystnie również jest, gdy wysięgnik przymocowany jest za pomocą śrub mocujących do elementu odniesienia niezależnie od ramy odniesienia.

Korzystnie także jest, gdy wysięgnik przymocowany jest na stałe do ramy odniesienia.

Korzystnie również jest, gdy wysięgnik ma postać płaskownika w kształcie litery L.

Korzystnie także jest, gdy kamera elektroniczna ustawiona jest na stanowisku obserwacyjnym niezwiązanym z mierzonym obiektem.

Korzystnie także jest, gdy tarcza pomiarowa znajduje się wewnątrz ramy odniesienia.

Korzystnie również jest, gdy odpowiednie osie kartezjańskich układów współrzędnych: tarczy pomiarowej xtytzt i ramy odniesienia XryrZr w pomiarze wyjściowym są względem siebie w przybliżeniu równoległe.

Korzystnie również jest, gdy kamera elektroniczna połączona jest bezprzewodowo z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych.

Korzystnie także jest, gdy oś yk kartezjańskiego układu współrzędnych kamery elektronicznej jest w przybliżeniu prostopadła do płaszczyzny XrZr wyznaczonej przez kartezjański układ współrzędnych ramy odniesienia.

Korzystnie również jest, gdy odpowiednie osie kartezjańskich układów współrzędnych: kamery elektronicznej XkykZk i ramy odniesienia XryrZr w pomiarze wyjściowym są względem siebie w przybliżeniu równoległe.

Korzystnie także jest, gdy oś yk kartezjańskiego układu współrzędnych kamery elektronicznej jest zwrócona w przybliżeniu centralnie do ramy odniesienia.

Korzystnie także jest, gdy rama odniesienia ma postać ramy prostokątnej albo obręczy.

Korzystnie również jest, gdy tarcza pomiarowa ma postać prostokąta albo koła.

Korzystnie także jest, gdy poziomnica elektroniczna połączona jest z ramą odniesienia w sposób rozłączny, za pomocą śrub sprzęgających.

Korzystnie również jest, gdy poziomnica elektroniczna połączona jest z ramą odniesienia na stałe.

Korzystnie także jest, gdy, po połączeniu poziomnicy elektronicznej z ramą odniesienia, kartezjańskie układy współrzędnych ramy odniesienia XryrZr i poziomnicy elektronicznej XpypZp są względem siebie równoległe.

Korzystnie również jest, gdy poziomnica elektroniczna jest libellą elektroniczną.

Korzystnie także jest, gdy poziomnica elektroniczna połączona jest bezprzewodowo z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych.

Korzystnie również jest, gdy reflektory zwrotne osadzone są na końcu górnej części ramy odniesienia oraz na kamerze elektronicznej.

Zastosowana poziomnica elektroniczna jest elementem pomiarowym, który wyznacza linię pionu w sposób niezależny od metody fotogrametrycznej. Zastosowanie reflektorów zwrotnych, instrumentu geodezyjnego i sygnału geodezyjnego, ustawionych na stanowiskach obserwacyjnych, umożliwia wykonanie pomiarów geodezyjnych, w oparciu o które wykonane pomiary przemieszczeń odnosi się do zewnętrznego geodezyjnego układu współrzędnych XYZ.

PL 239 498 Β1

Zależność pomiędzy kartezjańskimi układami współrzędnych: ramy odniesienia 3 (χ_Γγ_Γζ_Γ) względem kamery elektronicznej 6 (XkYkZk) wyznacza się na podstawie wzoru 1, wykorzystując w CRPD 7 odpowiednie oprogramowanie. Formuła ta jest matematycznym zapisem przestrzennej transformacji między dwoma kartezjański mi układami współrzędnych.

X_k = M?-X_r + T* (1) gdzie:

“r jest to macierz obrotu, opisująca zależność kątową między układem współrzędnych ramy odniesienia (χ_Γγ_Γζ_Γ) a układem współrzędnych kamery elektronicznej (XkYkZk);

Tr to wektor translacji, określający przesunięcie początku układu współrzędnych ramy odniesienia (χ_Γγ_Γζ_Γ) od początku układu współrzędnych kamery elektronicznej (XkYkZk);

to wektor określający położenie danego punktu w układzie współrzędnych ramy odniesienia (X_ryrZr);

%k to wektor określający położenie danego punktu w układzie współrzędnych kamery elektronicznej (XkYkZk).

Macierz obrotu ^r to macierz kwadratowa, która w euklidesowej przestrzeni 3D ma wymiar 3x3 elementy (wzór 2). Dziewięć współczynników macierzy obrotu ^r są to liczby rzeczywiste, które stanowią związki funkcji trygonometrycznych (sinusów i cosinusów) trzech kątów obrotów (tzw. kątów Eulera, oznaczonych greckimi literami): omega (»), phi (¢^) i kappa (/&), przy czym, w pierwszej kolejności stosuje się obrót układu ramy odniesienia 3 (χ_Γγ_Γζ_Γ) o kąt omega (®) wokół osi x_r (oś pierwszego obrotu), następnie o kąt phi (¢^) wokół osi y_r (oś drugiego obrotu) i ostatecznie o kąt kappa (/&) wokół osi z_r (oś trzeciego obrotu). Jest to tzw. konwencja οφ-κ. Kąty ca, cpr, κ określają rotację układu współrzędnych ramy odniesienia 3 (χ_Γγ_Γζ_Γ) względem układu współrzędnych kamery 6 (XkYkZk).

r^mn ™21 m₃i ^mi2 m₁₃ m₂₂ m₂3 ^m32 ^m33 .

(2) gdzie:

m 11 — cos cpr cos Kr mi2 = cos ca sin «· + sin ru-sin cpr cos κ mi3 = sin ńł sin κ - cos ca sin cpr cos κ m2i = - cos cpr sin κ m22 = cos ca cos «· - sin ca sin cpr sin κ m23 = sin ńł cos κ + cos ca sin cpr sin κ msi = sin cpr m32 = - sin ca cos cpr m33 = COS ca COS cpr

W zagadnieniu odwrotnym do przedstawionego powyżej, w tzw. konwencji κ-cp-co, określa się zależność kątową, pomiędzy układem współrzędnych kartezjańskich kamery elektronicznej 6 (XkYkZk) względem układu współrzędnych ramy odniesienia 3 (χ_Γγ_Γζ_Γ). Zależność tą opisuje, przy założeniu ortogonalności macierzy obrotu ^r, wzór 3, z którego wynika, że odwrotność macierzy ortogonalnej jest nr równa jej transpozycji. Stąd macierzⁿ/<’ określająca kątową zależność między układem współrzędnych kamery elektroniczną 6 (XkYkZk) a układem współrzędnych ramy odniesienia 3 (χ_Γγ_Γζ_Γ), przedstawia wzór 4.

M-¹ = (M^¹ = (MW =R^r _k = R mu ^m2i m₁₂ m₂₂ ^m13 ^m23 (3) (4) ^m3i m₃₂ ^m33

PL 239 498 Β1

W celu określenia wektora translacji 7- , który określa przesunięcie początku układu współrzędnych kamery elektronicznej 6 (XkykZk) od początku układu współrzędnych ramy odniesienia 3 (χ_Γγ_Γζ_Γ), gr Tk na podstawie znanej macierzy obrotu ⁿk> i wektora translacji ¹ korzysta się z wzoru 5.

7?=-«ί·ϊ? (5)

Matematyczny zapis odwrotnej transformacji, czyli transformacji między kartezjańskim układem współrzędnych kamery elektronicznej 6 (XkykZk) a kartezjańskim układem współrzędnych ramy odniesienia 3 (x_ryrZ_r), przedstawia wzór 6.

T_r^R^r _k-T_k + Ę (6)

ILfk R^r

Na podstawie macierzy ^r (lub ^ΛΛ’) (wzory 2 i 4) można wyznaczyć kąty obrotów α», φ, κ (wzór 7). Wynik obliczeń uzyskujemy w radianach, natomiast w celu przeliczenia na stopnie należy przemnożyć wynik przez przelicznik 1807π.

ω_τ — —atan2(m_32fm₃₃) <Pr = asin(m₃₁) (7)

K_r = —atan2(m₂₁,m₁₁)

Następnie, w analogiczny sposób do przedstawionego powyżej, określa się zależność między kartezjańskim i układami współrzędnych tarczy pomiarowej 4 (xtytZt) i kamery elektronicznej 6 (XkYkZk), ot czyli wyznacza się macierz obrotu k (określającą zależność kątową między układem współrzędnych kamery elektronicznej 6 (XkYkZk) a układem współrzędnych tarczy pomiarowej 4 (xtytZt)) i wektor transit lacji k (określający przesunięcie początku układu współrzędnych kamery elektronicznej 6 (XkykZk) od początku układu współrzędnych tarczy pomiarowej 4 (xtytZt)).

Na podstawie zarejestrowanych w czasach to (czas pomiaru wyjściowego) i ti (czas pomiaru aktualnego) obrazów położenia sygnałów odniesienia 11 i sygnałów kontrolowanych 12, wykorzystując Ογτ ΐγτ Onr l_pr oprogramowanie, wyznacza się przesunięcia ( ¹1 i ¹1) oraz rotacje ( i ⁿt) między kartezjańskim i układami współrzędnych: tarczy pomiarowej 4 (xtytZt) względem ramy odniesienia 3 (x_ry_rz_r), w jednorodnym kartezjańskim układzie współrzędnych kamery elektronicznej 6 (XkykZk) (fig. 4 i fig. 5).

Na podstawie obliczonych wartości odpowiednich wektorów translacji i odpowiednich macierzy obrotów wyznacza się wzajemne położenie elementu pomiarowego 1, reprezentowanego przez tarczę pomiarową 4, względem elementu odniesienia 2, reprezentowanego przez ramę odniesienia 3.

W zależności od prognozowanych wielkości przemieszczeń elementów 1 i 2 mierzonego obiektu i wymaganych dokładności pomiarów należy dobrać wielkość urządzenia (w tym ilość i wielkość sygnałów kontrolowanych 12 i sygnałów odniesienia 11) oraz sposób ustawienia kamery elektronicznej 6 i jej parametry techniczne. Należy również pamiętać, że na wyniki pomiarów, wraz ze wzrostem odległości fotografowania, mogą mieć większy wpływ warunki środowiskowe (np. gradient temperatury i wilgotność powietrza, ciśnienie atmosferyczne, nasłonecznienie, zapylenie czy występujące wibracje), powodując obniżenie dokładności realizowanych pomiarów. Wpływ wymienionych czynników środowiskowych można ograniczyć monitorując dodatkowymi sensorami parametry środowiskowe i atmosfery. Wówczas wyniki z tych sensorów należy uwzględnić, stosując odpowiednie procedury obliczeniowe w CRPD 7, podczas przetwarzania obrazów, zarejestrowanych kamerą elektroniczną 6.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym: fig. 1 - przedstawia urządzenie do pomiarów przemieszczeń w rzucie aksonometrycznym, przy braku połączenia ramy odniesienia z wysięgnikiem, fig. 2 - przedstawia urządzenie w rzucie aksonometrycznym, przy połączeniu ramy odniesienia z wysięgnikiem, fig. 3 - przedstawia urządzenie w rzucie aksonometrycznym bez wysięgnika, przy ustawieniu kamery elektronicznej na niezależnym stanowisku obserwacyjnym, którym może być statyw lub słup obserwacyjny, fig. 4 - przedstawia zależność między kartezjańskim i układami współrzędnych: kamery elektronicznej XkYkZk, ramy odniesienia x_ryrZ_r, poziomnicy elektronicznej χ_Ργ_Ρζ_ρ i tarczy pomiarowej XtytZt względem zewnętrznego geodezyjnego układu współrzędnych XgYgZg w pozycji wyjściowej pomiarowej to, fig. 5 - przedstawia zależność między kartezjań

PL 239 498 B1 skim i układami współrzędnych: kamery elektronicznej XkYkZk, ramy odniesienia XryrZr, poziomnicy elektronicznej XpypZp i tarczy pomiarowej Xtytzt względem zewnętrznego geodezyjnego układu współrzędnych XgYgZg w pozycji aktualnej pomiarowej ti, natomiast fig. 6 - przedstawia zależność między kartezjańskim i układami współrzędnych: kamery elektronicznej XkYkZk, ramy odniesienia XrYrZr, poziomnicy elektronicznej XpYpZp i tarczy pomiarowej XtytZt względem zewnętrznego geodezyjnego układu współrzędnych XgYgZg w kolejnej pozycji pomiarowej w czasie t2, przy pochyleniu: ramy odniesienia, poziomnicy elektronicznej i kamery elektronicznej.

P r z y k ł a d 1. Urządzenie do pomiarów przemieszczeń, jak na fig. 1, składa się z tarczy pomiarowej 4, przytwierdzonej śrubami mocującymi 10 do elementu pomiarowego 1 mierzonego obiektu, oraz z ramy odniesienia 3, przytwierdzonej śrubami mocującymi 10 do elementu odniesienia 2 obiektu mierzonego. Do ramy odniesienia 3 przytwierdzona jest śrubami sprzęgającymi 9 poziomnica elektroniczna 14. Rama odniesienia 3 posiada sygnały odniesienia 11 i ma zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych ramy odniesienia XryrZr. Tarcza pomiarowa 4 posiada sygnały kontrolowane 12 i ma zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych tarczy pomiarowej XtytZt. Natomiast poziomnica elektroniczna 14 ma zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych poziomnicy elektronicznej XpypZp i połączona jest przewodem transmisyjnym poziomnicy 15 z system centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD) 7. Do elementu odniesienia 2 przymocowany jest wysięgnik 5, do którego przymocowana jest kamera elektroniczna 6 śrubą sprzęgającą 9. Kamera elektroniczna 6, która ma określony swój kartezjański układ współrzędnych XkykZk, połączona jest przewodem transmisyjnym 8 z system centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD) 7. Urządzenie do pomiarów przemieszczeń, wykonane jak w przykładzie 1, przeznaczone jest do określenia prognozowanych przemieszczeń elementów 1 i 2 mierzonego obiektu w zakresie od 0.0 mm do 50.0 mm, z dokładnością pomiarów na poziomie dziesiątych i setnych części milimetra. Rotację elementów mierzonego obiektu wyznacza się na poziomie tysięcznych części stopnia. Wykonane pomiary przemieszczeń odniesione są do linii pionu, realizowanej przez oś Zp kartezjańskiego układu współrzędnych poziomnicy elektronicznej XpypZp oraz do zewnętrznego geodezyjnego układu współrzędnych XgYgZg. Odniesienie pomiarów przemieszczeń do zewnętrznego geodezyjnego układu współrzędnych XgYgZg realizuje się precyzyjnymi metodami geodezyjnymi, zapewniającymi dokładność pomiarów w przedziale od dziesiątych części milimetra do 1 mm.

Na końcu górnej części ramy odniesienia 3 i na kamerze elektronicznej 6, odpowiednio w geodezyjnym punkcie kontrolnym P1 ramy odniesienia 3 i geodezyjnym punkcie kontrolnym P2 kamery elektronicznej 6, osadzone są reflektory zwrotne 16. W sąsiedztwie mierzonego obiektu, poza wpływem jego oddziaływania, usytuowane są stanowisko obserwacyjne instrumentu geodezyjnego 19 i stanowisko obserwacyjne sygnału geodezyjnego 20. Ze stanowisk tych, z wykorzystaniem instrumentu geodezyjnego 17, w nawiązaniu do sygnału geodezyjnego 18, wykonuje się obserwacje geodezyjne (kąty poziome, pionowe i odległości) do reflektorów zwrotnych 16, umieszczonych w geodezyjnych punktach kontrolnych P1 i P2, w odniesieniu do kartezjańskiego geodezyjnego układu współrzędnych XgYgZg.

Wielkość urządzenia (w tym ilość i wielkość sygnałów kontrolowanych 12 oraz sygnałów odniesienia 11), jak i sposób ustawienia kamery elektronicznej 6 i jej parametry techniczne dobierane są po przeprowadzonej wnikliwej analizie zaistniałego przypadku. Parametry techniczne kamery elektronicznej 6, w tym wielkość i rozdzielczość matrycy oraz zastosowany obiektyw, powinny być tak dobrane, aby uwzględniały wymiary ramy odniesienia 3 oraz wymiary zastosowanych sygnałów kontrolowanych 12 i sygnałów odniesienia 11.

Rejestrację obrazów kamerą elektroniczną 6 należy prowadzić przy ustalonych warunkach oświetleniowych.

Sposób pomiaru przemieszczeń:

Przed przystąpieniem do pomiaru przemieszczeń na mierzonym obiekcie montuje się, za pomocą śrub mocujących 10, odpowiednio na elemencie pomiarowym 1 tarczę pomiarową 4. Z kolei na elemencie odniesienia 2 montuje się ramę odniesienia 3, z poziomnicą elektroniczną 14. Kamerę elektroniczną 6 mocuje się na wysięgniku 5, przy czym wysięgnik 5 jest połączony z elementem odniesienia 2 (fig. 1). Kamerę elektroniczną 6 łączy się przewodem transmisyjnym 8 z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD) 7, natomiast tarczę pomiarową 4 umieszcza się tak, aby znalazła się wewnątrz ramy odniesienia 3 oraz, aby płaszczyzny xy kartezjańskich układów współrzędnych: XryrZr i XtytZt były względem siebie równoległe. Po połączeniu poziomnicy elektronicznej 14 z ramą odniesienia 3, kartezjańskie układy współrzędnych: ramy odniesienia XryrZr i poziomnicy elektronicznej XpypZp, również są względem siebie równoległe. Tak przygotowany obiekt i urządzenie pomiarowe nadaje się do

PL 239 498 Β1 realizacji obserwacji cyklicznych, w założonym interwale czasowym, i pozwala określić zachodzące przemieszczenia na mierzonym obiekcie. Na końcu górnej części ramy odniesienia 3 i na kamerze elektronicznej 6, odpowiednio w geodezyjnym punkcie kontrolnym Pi ramy odniesienia 3 i geodezyjnym punkcie kontrolnym P₂ kamery elektronicznej 6, osadza się reflektory zwrotne 16. W sąsiedztwie mierzonego obiektu, poza wpływem jego oddziaływania, sytuuje się stanowisko obserwacyjne instrumentu geodezyjnego 19 i stanowisko obserwacyjne sygnału geodezyjnego 20. Ze stanowisk tych, z wykorzystaniem instrumentu geodezyjnego 17, w nawiązaniu do sygnału geodezyjnego 18, wykonuje się precyzyjne obserwacje geodezyjne (kąty poziome, pionowe i odległości) do reflektorów zwrotnych 16, umieszczonych w geodezyjnych punktach kontrolnych Pi i P₂, w odniesieniu do kartezjańskiego geodezyjnego układu współrzędnych XgYgZg.

Wyznaczone przemieszczenia odnoszą się nie tylko do wzajemnych przemieszczeń elementów: pomiarowego 1 i odniesienia 2, ale również odnoszą się do linii pionu, realizowanej przez oś z_p kartezjańskiego układu współrzędnych χ_Ργ_Ρζ_ρ poziomnicy elektronicznej 14 oraz do zewnętrznego geodezyjnego układu współrzędnych XgYgZg. Odniesienie pomiarów przemieszczeń do zewnętrznego geodezyjnego układu współrzędnych XgYgZg realizuje się precyzyjnymi metodami geodezyjnymi, zapewniającymi dokładność pomiarów w przedziale od dziesiątych części milimetra do 1 mm.

Przed rozpoczęciem właściwych pomiarów urządzenie według wynalazku kalibruje się. W przypadku ramy odniesienia 3 określa się położenie sygnałów odniesienia 11 i reflektora zwrotnego 16, umieszczonego w geodezyjnym punkcie kontrolnym P-ι, w kartezjańskim układzie współrzędnych x_ryrZ_r ramy odniesienia 3. Dla tarczy pomiarowej 4 wyznacza się położenie sygnałów kontrolowanych 12 w kartezjańskim układzie współrzędnych XtytZt tarczy pomiarowej 4. Dla kamery elektronicznej 6 wyznacza się elementy orientacji wewnętrznej wraz z parametrami dystorsji układu optycznego, stosując znane fotogrametryczne procedury, oraz wyznacza się położenie reflektora zwrotnego 16, umieszczonego w geodezyjnym punkcie kontrolnym P₂, w kartezjańskim układzie współrzędnych XkykZk kamery elektronicznej 6. Dla poziomnicy elektronicznej 14 określa się położenie zerowe układu współrzędnych poziomnicy elektronicznej x_Py_Pz_p, w którym pochylenie kątowe osi z_p wynosi 0°. Położenie tarczy pomiarowej 4 i ramy odniesienia 3 znajdują się w dobranym zakresie głębi ostrości kamery elektronicznej 6, przy zadanej odległości fotografowania.

Podczas pomiaru wyjściowego w czasie to (fig. 4), a następnie pomiaru aktualnego w czasie ti (fig. 5), rejestruje się kamerą elektroniczną 6 obrazy: ramy odniesienia 3 z sygnałami odniesienia 11 i tarczy pomiarowej 4 z sygnałami kontrolowanymi 12 oraz wykonuje się odczyty pochylenia poziomnicy elektronicznej 14 (fig. 1).

W przypadku wystąpienia niedostatecznego natężenia oświetlenia, podczas fotografowania ramy odniesienia 3 i tarczy pomiarowej 4, wprowadza się w danym okresie pomiarowym to lub ti dodatkowe oświetlenie wspomnianych elementów urządzenia. Podczas pomiaru wyjściowego w czasie to (fig. 4), a następnie pomiaru aktualnego w czasie ti (fig. 5), ze stanowiska obserwacyjnego instrumentu geodezyjnego 19 i stanowiska obserwacyjnego sygnału geodezyjnego 20, z wykorzystaniem instrumentu geodezyjnego 17, w nawiązaniu do sygnału geodezyjnego 18, wykonuje się obserwacje geodezyjne (kąty poziome, pionowe i odległości) do reflektorów zwrotnych 16, umieszczonych w geodezyjnych punktach kontrolnych Pi i P₂, w odniesieniu do kartezjańskiego geodezyjnego układu współrzędnych XgYgZg.

Zarejestrowane kamerą elektroniczną 6 obrazy oraz odczytane wyniki poziomnicy elektronicznej 14, przesyła się odpowiednio przewodem transmisyjnym 8 i przewodem transmisyjnym 15, do systemu CRPD 7. Natomiast obserwacje geodezyjne (kąty poziome, pionowe i odległości) z instrumentu geodezyjnego 17 przesyła się drogą radiową do systemu CRPD 7. Odebrane przez system CRPD 7 wyniki przetwarza się i archiwizuje.

Przykładowy pomiar realizuje się przy następujących założeniach:

• kamera elektroniczna 6, wyposażona jest w obiektyw o stałej kamery 50.00 mm;

• rama odniesienia 3 jest prostokątna i ma wymiary 300 mm na 200 mm;

• tarcza pomiarowa 4 jest również prostokątna i ma wymiary 120 mm na 140 mm;

• odległość kamery elektronicznej 6 od ramy odniesienia 3 (yk) wynosi 200.00 mm;

• położenie geodezyjnego punktu kontrolnego Pi w układzie współrzędnych ramy odnieT^r sienią 3 przedstawia wektor Λ = [10.00; 10.00; 210.00] mm;

• położenie geodezyjnego punktu kontrolnego P₂ w układzie współrzędnych kamery elek-

Ironicznej 6 przedstawia wektor ^{1 p}2 = [20.00; -50.00; 30.00] mm;

PL 239 498 Β1 • podczas pomiaru wyjściowego (w czasie to) odpowiednie osie kartezjańskich układów współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytZt) i ramy odniesienia (χ_Γγ_Γζ_Γ) są względem siebie Onr równoległe, czyli macierz obrotu ⁿt (macierz opisująca zależność kątową między układem współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytZt) a układem współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrZ_r)) jest macierzą jednostkową;

• oś yk kartezjańskiego układu współrzędnych kamery elektronicznej 6 jest zwrócona w przybliżeniu prostopadle i centralnie do ramy odniesienia 4 - wartości kątów a*, « (określające rotację układu współrzędnych kamery elektronicznej XkYkZk w kartezjańskim układzie współrzędnych ramy odniesienia (χ_Γγ_Γζ_Γ)) oblicza się na etapie pomiaru wyjściowego (w czasie to) i pomiaru aktualnego (w czasie t-i).

Na podstawie zarejestrowanych w czasie to obrazów sygnałów odniesienia 11 i sygnałów kontrolowanych 12 oblicza się wartości (fig. 4): wektorów translacji: ¹ r (wektor przesunięcia początku układu współrzędnych ramy odniesienia (x_ry_rz_r) od początku układu współrzędnych kamery elektronicznej (XkYkZk)), ( ¹ r = [-145.00; -200.00; -95.00]) i ¹ k (wektor określający przesunięcie początku układu współrzędnych kamery elektronicznej (XkYkZk) od początku układu współrzędnych tarczy pomiarowej 0 nr (xtytZt)) ( ¹ k = [118.07; -219.13; 62.03]). Oblicza się również macierze obrotów: ⁿk (macierz opisująca zależność kątową między układem współrzędnych kamery elektronicznej (XkYkZk) a układem współOnt rzędnych ramy odniesienia (χ_Γγ_Γζ_Γ)) i ⁿk (macierz opisująca zależność kątową między układem współrzędnych kamery elektronicznej (XkYkZk) a układem współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytZt)).

	0.9999	-0.0120	0.0073
“«1 =	0.0120	0.9999	-0.0095
	.-0,0072	0.0096	0.9999.
	0.9999	-0.0120	0.0073
	0.0120	0.9999	-0.0095
	-0.0072	0.0096	0.9999.

nr

Na podstawie macierzy wyznacza się (wzór 7) wartości kątów: ak, <pk, Kk, określające rotację układu współrzędnych kamery elektronicznej XkYkZk względem układu współrzędnych ramy odniesienia Ońr Ont (x_ryrZ_r) («<=0.544°, <pk=0.421 °, «=0.685°). Ponieważ obie macierze obrotów ⁿk i ^Rk są sobie równe, więc kąty obrotów: ®k, /λ (określające rotację układu współrzędnych tarczy pomiarowej XtytZt w układzie współrzędnych ramy odniesienia (χ_Γγ_Γζ_Γ)) wynoszą «=0.000°, ^=0.000°, «=0.000°. Świadczy to, że odpowiednie osie układów współrzędnych XkYkZk i x_ryrZ_r są wzajemnie równoległe.

yr

Stosując wzór nr 5 oblicza się wektor k (przesunięcie początku układu kamery elektronicznej (XkYkZk) od początku układu ramy odniesienia (χ_Γγ_Γζ_Γ)):

°Τζ = - * °7? = [148.07; -199.13; 92.03],

Ο'ΓΓ

Na podstawie wyników obliczeń można wyznaczyć składowe wektora ¹1 (określające przesunięcie początku układu współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytZt) od początku układu współrzędnych ramy odniesienia (χ_Γγ_Γζ_Γ)):

°77 = [30.00; 20.00; 30.00],

W czasie pomiaru wyjściowego to, ze stanowiska obserwacyjnego instrumentu geodezyjnego 19, z wykorzystaniem instrumentu geodezyjnego 17, w nawiązaniu do sygnału geodezyjnego 18, wykonuje się obserwacje geodezyjne (kąty poziome, pionowe i odległości) do reflektorów zwrotnych 16, umieszczonych w geodezyjnych punktach kontrolnych Pi i P2. Na podstawie obserwacji geodezyjnych wyznacza się położenie geodezyjnych punktów kontrolnych P-ι i P2 w kartezjańskim geodezyjnym układzie współrzędnych XgYgZg. W oparciu o obliczone współrzędne punktów Pi i P2 wyznacza się wektor

PL 239 498 Β1 określający wzajemne położenie geodezyjnych punktów kontrolnych P2 względem Pi w kartezjańskim układzie współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrZ_r):

°Tpl = [158.89; -259.17; -88.60],

Otrzymane wyniki obliczeń potwierdziły przyjęte założenia odnośnie położenia ramy odniesienia 3, tarczy pomiarowej 4, kamery elektronicznej 6 i poziomnicy elektronicznej 14 w czasie to.

W określonym cyklu pomiarowym (w czasie pomiaru aktualnego t-ι) na zarejestrowanych obrazach podobnie oblicza się (fig. 5) wartości wektorów translacji: ¹ * ( ¹ k = [148.07; -199.13; 92.03]) ¹ nr Int i ¹ k ( ¹ k = [113.52; -222.36; 60.95]) oraz macierze obrotów: ^Kk i ^Kk, na podstawie których wylyr znaczasię przesunięcie tarczy pomiarowej 4 względem ramy odniesienia 3 ( ' t = [31.12; 21.98; 33.06], 1 nr oraz macierz obrotu t (macierz opisująca zależność kątową między układem współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytZt) a układem współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrZ_r)).

0.9999

0.0131 —0.0087

-0.0131

0.9999

0.0045

0.0087

-0.0044

1.0000 nr

Na podstawie macierzy t wyznacza się (wzór 7) kąty obrotu <pt, « (określające rotację w czasie ti układu współrzędnych tarczy pomiarowej XtytZt w układzie współrzędnych ramy odniesienia lyr (x_ryrZ_r): «=0.250°, ^=0.500°, «=0.750°). Obliczone wartości składowych wektora ' t i kąty obrotu «, φι, « w czasie ti są zgodne z założonymi wartościami, przyjętymi w tym przykładzie obliczeniowym.

W następnym kroku określa się wychylenie mierzonego obiektu względem linii pionu, realizowanej przez oś z_p, kartezjańskiego układu współrzędnych x_Py_Pz_p poziomnicy elektronicznej 14 oraz dokonuje się oceny położenia mierzonego obiektu w kartezjańskim geodezyjnym zewnętrznym układzie współrzędnych XgYgZg. W tym celu analizuje się wyniki obserwacji poziomnicy elektronicznej 14 i wyniki pomiarów kątowo-liniowych, zrealizowanych instrumentem geodezyjnym 17. Jeżeli wyniki w czasie pomiaru aktualnego ti są takie same jak w czasie pomiaru wyjściowego to, na poziomie dokładności po1 rPo miarów instrumentów pomiarowych 14 i 17, wówczas macierz P jest macierzą jednostkową. Otrzymane wyniki pomiarów poziomnicą elektroniczną 14 i instrumentem geodezyjnym 17 wykazują stałość położenia ramy odniesienia 3 (jednocześnie elementu odniesienia 2) w czasie pomiaru aktualnego ti (fig. 5), czyli wektory łączące geodezyjne punkty kontrolne Pi i P2, wyznaczone w czasach to i ti, są sobie równe ^{k p}i ^pi ’ jak również współrzędne geodezyjnych punktów kontrolnych Pi i P2, wyznaczone w czasach to i ti w kartezjańskim geodezyjnym zewnętrznym układzie współrzędnych XgYgZg, też są sobie równe.

W tym przypadku, wyznaczone przemieszczenie tarczy pomiarowej 4 względem ramy odniesienia 3 odnoszą się do linii pionu, zrealizowanej przez poziomnicę 14 (fig. 5), i do zewnętrznego geodezyjnego układu współrzędnych XgYgZg.

Przykład 2. Urządzenie do pomiarów przemieszczeń, jak na fig. 2, składa się z tarczy pomiarowej 4, przytwierdzonej śrubami mocującymi 10 do elementu pomiarowego 1 mierzonego obiektu, oraz ramy odniesienia 3, przytwierdzonej śrubami mocującymi 10 do elementu odniesienia 2 obiektu mierzonego. Z kolei do ramy odniesienia 3 przytwierdzona jest śrubami sprzęgającymi 9 poziomnica elektroniczna 14 i przymocowany jest na stałe wysięgnik 5. Tarcza pomiarowa 4 posiada sygnały kontrolowane 12 i ma zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych tarczy pomiarowej XtytZt. Natomiast rama odniesienia 3 posiada sygnały odniesienia 11 i ma określony kartezjański układ współrzędnych ramy odniesienia x_ryrZ_r. Poziomnicą elektroniczna 14 ma zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych poziomnicy elektronicznej x_Py_Pz_p i połączona jest przewodem transmisyjnym poziomnicy 15 z system centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD) 7. Dodatkowo do wysięgnika 5 przymocowana jest kamera elektroniczna 6 śrubą sprzęgającą 9. Kamera elektroniczna 6 ma zdefiniowany swój kartezjański układ współrzędnych XkykZk i połączona jest przewodem transmisyjnym 8 z system centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD) 7.

PL 239 498 Β1

Urządzenie do pomiaru przemieszczeń, wykonane jak w przykładzie 2, przeznaczone jest do pomiarów prognozowanych przemieszczeń elementów 1 i 2 mierzonego obiektu w zakresie od 0.00 mm do 10.00 mm z dokładnością pomiarów na poziomie ±0.01 mm. Rotację elementów mierzonego obiektu wyznacza się na poziomie tysięcznych części stopnia. Wykonane pomiary przemieszczeń odniesione są do kartezjańskiego układu współrzędnych χ_Ργ_Ρζ_ρ poziomnicy elektronicznej 14 oraz do zewnętrznego geodezyjnego układu współrzędnych XgYgZg. Odniesienie pomiarów przemieszczeń do zewnętrznego geodezyjnego układu współrzędnych XgYgZg realizuje się precyzyjnymi metodami geodezyjnymi, zapewniającymi dokładność pomiarów w przedziale od dziesiątych części milimetra do 1 mm.

Na końcu górnej części ramy odniesienia 3 i na kamerze elektronicznej 6, odpowiednio w geodezyjnym punkcie kontrolnym Pi ramy odniesienia 3 i geodezyjnym punkcie kontrolnym P₂ kamery elektronicznej 6, osadzone są reflektory zwrotne 16. W sąsiedztwie mierzonego obiektu, poza wpływem jego oddziaływania, usytuowane są stanowisko obserwacyjne instrumentu geodezyjnego 19 i stanowisko obserwacyjne sygnału geodezyjnego 20. Ze stanowisk tych, z wykorzystaniem instrumentu geodezyjnego 17, w nawiązaniu do sygnału geodezyjnego 18, wykonuje się obserwacje geodezyjne (kąty poziome, pionowe i odległości) do reflektorów zwrotnych 16, umieszczonych w geodezyjnych punktach kontrolnych Pi i P₂, w odniesieniu do kartezjańskiego geodezyjnego układu współrzędnych XgYgZg.

W tym przykładzie wykonania wpływ warunków środowiskowych jest ograniczony do minimum. Wielkość urządzenia (w tym ilość i wielkość sygnałów kontrolowanych 12 i sygnałów odniesienia 11), jak i sposób ustawienia kamery elektronicznej 6 i jej parametry techniczne, dobierane są po przeprowadzonej wnikliwej analizie zaistniałego przypadku. Parametry techniczne kamery elektronicznej 6, w tym wielkość i rozdzielczość matrycy oraz zastosowany obiektyw, powinny być tak dobrane, aby uwzględniały wymiary ramy odniesienia 3 oraz wymiary zastosowanych sygnałów kontrolowanych 12 i sygnałów odniesienia 11. Rejestrację obrazów kamerą elektroniczną 6 należy prowadzić przy ustalonych warunkach oświetleniowych.

Sposób pomiaru przemieszczeń:

Pomiaru dokonuje się jak w przykładzie 1, przy czym wysięgnik 5 przymocowany jest na stałe do ramy odniesienia 3 (fig. 2). Dalej postępuje się jak w przykładzie 1.

Przykład 3. Układ jak w przykładzie 1, z tym, że pokazane na fig. 3, gdzie kamera elektroniczna 6 umieszczona jest na niezależnym stanowisku obserwacyjnym 13, niezwiązanym z mierzonym obiektem.

Urządzenie do pomiaru przemieszczeń, wykonane jak w przykładzie 3, przeznaczone jest do pomiarów prognozowanych przemieszczeń elementów 1 i 2 mierzonego obiektu w zakresie od 0 mm do 200 mm z dokładnością pomiarów w zakresie od setnych części milimetra do kilku milimetrów. Uzyskana dokładność uwarunkowana jest parametrami technicznymi sprzętu pomiarowego i odległością fotografowania. W tym przykładzie wykonania, przy znacznych odległościach fotografowania, należy bezwzględnie uwzględnić wpływ warunków środowiskowych na wyniki pomiarów stosując odpowiednie procedury obliczeniowe w CRPD 7.

Sposób pomiaru przemieszczeń:

Względne przemieszczenie tarczy pomiarowej 4 w odniesieniu do ramy odniesienia 3 w czasie t₂ ( ²R^r = i/i^r) jest takie same jak w czasie ti ' ^{f th} z tym, że kamera elektroniczna 6 umieszczona jest na stanowisku obserwacyjnym 13, niezwiązanym z mierzonym obiektem (fig. 3) oraz element odniesienia 2 wraz ze stanowiskiem obserwacyjnym 13 doznały przemieszczenia w stosunku do elementu pomiarowego 1.

Podczas pomiaru wyjściowego w czasie to (fig. 4), a następnie pomiaru aktualnego w czasie t₂ (fig. 6), rejestruje się kamerą elektroniczną 6 obrazy: ramy odniesienia 3 z sygnałami odniesienia 11 i tarczy pomiarowej 4 z sygnałami kontrolowanymi 12 (fig. 3). W tym samym czasie ze stanowiska obserwacyjnego instrumentu geodezyjnego 19, z wykorzystaniem instrumentu geodezyjnego 17, w nawiązaniu do sygnału geodezyjnego 18, wykonuje się obserwacje geodezyjne (kąty poziome, pionowe i odległości) do reflektorów zwrotnych 16, umieszczonych w geodezyjnych punktach kontrolnych Pi i P₂, w odniesieniu do kartezjańskiego geodezyjnego układu współrzędnych XgYgZg. Jeżeli element odniesienia 2, reprezentowany przez ramę odniesienia 3, doznał przemieszczenia, wówczas występują istotne różnice w odczytach poziomnicy elektronicznej 14 i różnice w pomiarach instrumentem geodezyjnym 17, przekraczające założone wartości dopuszczalne (fig. 6, czas kolejnego pomiaru t₂).

PL 239 498 Β1

W przykładzie obliczeniowym przyjęto, że odczyty z poziomnicy elektronicznej 14 wynoszą odpowiednio: βψ=-0.2565°, ¢^=-0.4967° i przy założeniu, że po kalibracji osie współrzędnych x_py_p poziomnicy elektronicznej 14 sa równoległe z osiami współrzędnych x_ry_r ramy odniesienia 3, wówczas kat 2nPo «_P=0.000°. Wtedy macierz obrotu ⁿP , określająca położenie poziomnicy elektronicznej 14 w czasie ZnPo t2, oraz macierz ^λγ , określająca położenie ramy odniesienia 3 względem linii pionu, są sobie równe i wynoszą:

ZpPo _ ZnPo _ t\_r - I\p 1.0000

0.0000

0.0087

0.0000

1.0000

-0.0045

-0.0087

0.0045

1.0000

Następnie na podstawie obserwacji geodezyjnych wyznacza się położenie geodezyjnych punktów kontrolnych Pi i P2 w geodezyjnym zewnętrznym układzie współrzędnych XgYgZg.

Na podstawie znanych z literatury wzorów przeprowadza sie obliczenia położenia tarczy pomia- „Po rowej 4 względem linii pionu, a macierz obrotu “t ma wartość:

²R

0.9999

0.0131

-0.0001

-0.0131 0.0001

0.9999 0.0001

-0.0001 1.0000

2nPo

Kąty obrotu tarczy pomiarowej 4 względem linii pionu, otrzymane z macierzy “t (wzór 7), przyjmują odpowiednio wartości: «=-0.0065°, ¢71=0.0033° i «=0.7522°. Kąty obrotu ramy odniesienia 3

2nP« względem linii pionu, otrzymane z macierzy ^λγ (wzór 7), przyjmują wartości: «=-0.2565°, ¢^=-0.4967°

Ργτ i «=0.0000°. Wektor przesunięcia tarczy pomiarowej 4 w stosunku do ramy odniesienia 3 ( *t), wyznaczony w kartezjańskim układzie współrzędnych x_Py_Pz_p poziomnicy elektronicznej 14, czyli odniesiony do linii pionu, wynosi:

^vV_t = [30.83; 22.13; 33.23]

W kolejnym kroku w czasie t2, na podstawie obliczonych współrzędnych punktów Pi i P2, oraz na podstawie pomierzonych kątów pochylenia ramy odniesienia 3, zarejestrowanych poziomnica elektro2γΆ1 niczną 14 («= «ψ i ¢^ = ¢^), wyznacza się wektor ^p2, określający wzajemne położenie geodezyjnych punktów kontrolnych P2 względem Pi w kartezjańskim układzie współrzędnych ramy odniesienia (XrYrZr):

²T^ = [156.24; -261.62; -86.08],

Następnie w czasie t2 wyznacza się położenie wektora łączącego geodezyjne punkty kontrolne Pi i P2, i na tej podstawie określa się kąt obrotu « ramy odniesienia 3 względem linii pionu (z obliczeń wartość ta wynosi «=-0.7522°). W kolejnym kroku oblicza się kąty obrotu i przesunięcie kartezjańskich układów współrzędnych: kamery elektronicznej 6 i ramy odniesienia 3 w geodezyjnym zewnętrznym układzie współrzędnych XgYgZg. Ostateczne wyznaczone położenie elementu pomiarowego 1 mierzonego obiektu, reprezentowanego przez tarczę pomiarową 4, względem elementu odniesienia 2 mierzonego obiektu, reprezentowanego przez ramę odniesienia 3, w kartezjańskim geodezyjnym zewnętrznym

Gnr układzie współrzędnych XgYgZg, określone przez wektor translacji ^f i macierz rotacji , wynosi:

= [31.12; 21.98; 33.06] ^GRt =

0.9999

0.0131

-0.0087

-0.0131

0.9999

0.0045

0.0087'

-0.0044

1.0000.

PL 239 498 Β1

Wyznaczone w czasie t2 kąty obrotu tarczy pomiarowej 4 względem ramy odniesienia, otrzymane G nr z macierzy ^Λί (wzór 7), przyjmują odpowiednio wartości: «=0.250°, ¢71=0.500° i «=0.750°, a obliczone przesunięcie elementu pomiarowego 1 mierzonego obiektu, reprezentowanego przez tarczę pomiarową 4, względem elementu odniesienia 2 mierzonego obiektu, reprezentowanego przez ramę odniesienia 3, w czasie t2 w odniesieniu do czasu wyjściowego to, w kartezjańskim geodezyjnym zewnętrznym układzie współrzędnych XgYgZg, ostatecznie wynosi:

- °7f = [1.12; 1.98; 3.06]

Otrzymane wyniki obliczeń potwierdziły przyjęte założenia odnośnie położenia ramy odniesienia 3, tarczy pomiarowej 4, kamery elektronicznej 6 i poziomnicy elektronicznej 14 w czasie t2 względem zewnętrznego geodezyjnego układu współrzędnych XgYgZg. Cały tok obliczeń przeprowadza się w systemie CRPD 7, stosując odpowiednie algorytmy.

Wykaz oznaczeń:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 A, B Pi, P2 to tl t2	- element pomiarowy pierwszy - element odniesienia - rama odniesienia - tarcza pomiarowa - wysięgnik - kamera elektroniczna - system centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD) - przewód transmisyjny kamery - śruba sprzęgająca - śruba mocująca - sygnał odniesienia - sygnał kontrolowany - stanowisko obserwacyjne kamery elektronicznej - poziomnica elektroniczna - przewód transmisyjny poziomnicy - reflektor zwrotny - instrument geodezyjny - sygnał geodezyjny - stanowisko obserwacyjne instrumentu geodezyjnego - stanowisko obserwacyjne sygnału geodezyjnego - punkty osnowy geodezyjnej - geodezyjne punkty kontrolne - czas pomiaru wyjściowego - czas pomiaru aktualnego, przy stałości elementu odniesienia - czas kolejnego pomiaru aktualnego, przy pochyleniu elementu odniesienia
XrYrZr XtYtZt XkYkZk ΧρΥρΖρ XgYgZg (Or, ψτ, Kr	- kartezjański układ współrzędnych ramy odniesienia - kartezjański układ współrzędnych tarczy pomiarowej - kartezjański układ współrzędnych kamery elektronicznej - kartezjański układ współrzędnych poziomnicy elektronicznej - kartezjański geodezyjny zewnętrzny układ współrzędnych - trzy kąty Euler’a, określające rotację układu współrzędnych ramy odniesienia xryrZr
ca, φι, Ki	- trzy kąty Euler’a, określające rotację układu współrzędnych tarczy pomiarowej XtytZt
όφ, φρ, Kp	- trzy kąty Euler’a, określające rotację układu współrzędnych poziomnicy elektronicznej χΡγΡζρ
	- trzy kąty Euler’a, określające rotację układu współrzędnych kamery elektronicznej XkYkZk

PL 239 498 Β1

Cci CM as oT o	macierze obrotu, opisujące zależność kątową między układem współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytZt) a układem współrzędnych ramy odniesienia (χΓγΓζΓ), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t2
O^r ΙψΓ 2γτ lt’ lt> 11	wektory translacji, określające przesunięcie początku układu współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytZt) od początku układu współrzędnych ramy odniesienia (xryrzr), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t2
0 nt Int 2nt Kk’ Kk’ Kk	macierze obrotu, opisujące zależność kątową między układem współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) a układem współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytZt), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktual-
Οψί Ιψί 2ψί 1 k’ ł k’ łk	nego w czasie t2 wektory translacji, określające przesunięcie początku układu współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk)od początku układu współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytZt), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t2
°DT 1Dr 2 Dr Kk’ Kk’ Kk	macierze obrotu, opisujące zależność kątową między układem współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) a układem współrzędnych ramy odniesienia (xryrZr), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t2
ΟγΤ ίτΓ 2γγ 1 k’ 1 k’ ‘k	wektory translacji, określające przesunięcie początku układu współrzędnych kamery elektronicznej (XkYkZk)od początku układu współrzędnych ramy odniesienia (xryrZr), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t2
OpP lpP 2pp Kk’ Hk’ Kk	macierze obrotu, opisujące zależność kątową między układem współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) a układem współrzędnych poziomnicy elektronicznej (xpypzp), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t2
cc: N A. k as Cl. k o	macierze obrotu, opisujące zależność kątową między układem współrzędnych ramy odniesienia (xryrzr) a układem współrzędnych poziomnicy elektronicznej (xpypzp), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t2
OnPo IpPo 2pPo **p i Λρ ’ **p	macierz obrotu, opisująca zależność kątową układu współrzędnych poziomnicy elektronicznej (xpypzp) względem linii pionu, odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t2
2pPo 11 y	macierz obrotu, określająca zależność kątową układu współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytZt) względem linii pionu macierz obrotu, określająca zależność kątową układu współrzędnych ramy odniesienia (xryrzr) względem linii pionu
Ργτ 1 t	wektor translacji, określający przesunięcie początku układu współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytZt) w stosunku do początku układu współrzędnych ramy odniesienia (xryrzr), wyznaczony w kartezjańskim układzie współrzędnych xPyPzp poziomnicy elektronicznej, czyli odniesiony do linii pionu
OnG knG 2pG Kk< Kk’ Kk	macierze obrotu, opisujące zależność kątową między układem współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) a geodezyjnym zewnętrznym układem współrzędnych (XgYgZg), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t2

PL 239 498 Β1

OyG Ιψΰ ZyG ¹ k’ ¹ k’ ‘k

O pG IpG 2-pG Λ< j 11 || 11

O^G l^G 2pG

OnC IpG ^pG

Kp, ^κρ· ϋρ

T^{r 1} Pi jk ¹Pl

Οί^Ρι 2τ»Ρι ’ *P₂’ ^lP₂ wektory translacji, określające przesunięcie początku układu współrzędnych kamery elektronicznej (XkYkZk) od początku geodezyjnego zewnętrznego układu współrzędnych (XgYgZg), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t_z macierze obrotu, opisujące zależność kątową między układem współrzędnych ramy odniesienia (χ_Γγ_Γζ_Γ) a geodezyjnym zewnętrznym układem współrzędnych (XgYgZg), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t_z wektory translacji, określające przesunięcie początku układu współrzędnych ramy odniesienia (χ_Γγ_Γζ_Γ) od początku geodezyjnego zewnętrznego układu współrzędnych (XgYgZg), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie t-ι, aktualnego w czasie t_z macierze obrotu, opisujące zależność kątową między układem współrzędnych poziomnicy elektronicznej (x_py_pz_p) a geodezyjnym zewnętrznym układem współrzędnych (XgYgZg), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie t-ι, aktualnego w czasie t_z wektor opisujący położenie geodezyjnego punktu kontrolnego Pi w układzie współrzędnych ramy odniesienia 3 wektor opisujący położenie geodezyjnego punktu kontrolnego P2 w układzie współrzędnych kamery elektronicznej 6 wektory określające wzajemne położenie geodezyjnych punktów kontrolnych P2 względem Pi w kartezjańskim układzie współrzędnych ramy odniesienia (χ_Γγ_Γζ_Γ), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t_z macierz obrotu, określająca zależność kątową układu współrzędnych ramy odniesienia (χ_Γγ_Γζ_Γ) względem linii pionu wektor translacji, określający przesunięcie początku układu współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytZt) w stosunku do początku układu współrzędnych ramy odniesienia (χ_Γγ_Γζ_Γ), wyznaczony w geodezyjnym zewnętrznym układzie współrzędnych (XgYgZg)

Zastrzeżenia patentowe

Claims (1)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do pomiarów przemieszczeń, zawierające kamerę elektroniczną i poziomnicę elektroniczną, połączone z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD), orazfotopunkty rejestrowane na obrazach, znamienne tym, że zawiera ramę odniesienia (3), z naniesionymi co najmniej czterema sygnałami odniesienia (11), które są osadzone w jednej płaszczyźnie x_rz_r, w lokalnym kartezjańskim układzie współrzędnych χ_Γγ_Γζ_Γ, przy czym, jeśli liczba sygnałów odniesienia (11) wynosi m, to liczba sygnałów odniesienia (11), które nie mogą leżeć na jednej prostej, wynosi m-1, oraz zawiera tarczę pomiarową (4), z co najmniej czterema sygnałami kontrolowanymi (12), które są osadzone w jednej płaszczyźnie XtZt, w lokalnym kartezjańskim układzie współrzędnych XtytZt, przy czym, jeśli liczba sygnałów kontrolowanych (12) wynosi k, to liczba sygnałów kontrolowanych (12), które nie mogą leżeć na jednej prostej, wynosi k-1, ponadto kamera elektroniczna (6) ma zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych XkYkZk i połączona jest z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych (7) oraz zwrócona jest obiektywem w stronę ramy odniesienia (3) i tarczy pomiarowej (4), natomiast do ramy odniesienia (3) przytwierdzona jest poziomnica elektroniczna (14), która ma zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych x_Py_Pz_p, i połączona jest z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD) (7), ponadto urządzenie posiada co najmniej dwa reflektory zwrotne (16), osadzone na dowolnym elemencie urządzenia, które