基于動坐標系的便攜式圓周截面參數測量方法及設備

司劍峰 陳浩 鐘冬望

摘 要 工程中往往需要對大型的圓周截面建構筑物或設備的直徑或周長進行測量，然而現有測試方法或技術存在無法測量或精度較差的問題，為解決大量圓周截面參數測量的問題，提出了一種基于手持式移動坐標系統的間接測量方法間接測出圓周上任意大于3個點在該移動坐標系下的坐標，然后通過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的方法。基于該測量計算方法，介紹了其基本原理，并以超聲波測距模塊為例設計了測試設備的基本結構及主要模塊電路圖。最后分析了該測試方法的優缺點及技術難點，可供同領域工程人員參考。

關鍵詞 圓周參數 間接測量 模塊設計 測量設備

中圖分類號：O411.1文獻標識碼：A

0緒論

圓周截面參數的測量在工程項目中的應用主要包括管道、柱形容器、圓弧形結構建筑物等直徑或者周長的測量。現有的大直徑測量方法也較多，包括大型千分尺、 尺、皮尺直接測量，弦高法、三點法、切點法、滾輪法、標記法、激光掃描等間接測量法。然而在實際工程測量中測試環境復雜多變、測試對象形態各異，以上測量技術和方法不能滿足測試要求。直接測量法具有精度高的特點，然而大多工程中遇到的測量問題是無法直接進行測量的，且該方法的主觀性較大，測量精度無法保證;弦高法、三點法、切點法、滾輪法、標記法等間接測量法需要接觸被測物體，這一點在某些測量中也無法滿足條件。激光掃描法和視覺測量法是一種間接的非接觸式測量方法，具有較好的精度和穩定性，但是這一類測試往往設備自身的體積及重量較大，不適于野外工程測量。

激光/聲波是較為常用的測距設備，激光/聲波測距具有精度高、操作方便、穩定性好、便于攜帶等優點。若采用激光/聲波對圓形區域基本尺寸進行測量，則需要提前定位出圓心位置。然而，工程測試中大多數是無法確定圓心位置的。同時，該方法也僅適用于平面圓周的測量。因此，在工程中遇到此類測量項目時會面臨諸多問題而無法準確測量出準確數值。

1基本原理

1.1基本思路

通常的測量方法分為直接測量和間接測量。直接測量具有直觀、精準的特點;間接測量是通過測量其他參數再經過計算或者變換后得到的數值。在幾何圖形圓中，半徑R及圓心O是其重要的幾何參數。如果已知半徑R，則可計算出周長、面積等參數，因此半徑R的獲得至關重要。在平面坐標系中，圓周線是一個圓，可用（0）2+（0）2=R2來表示，其中0、0為圓心坐標，R為半徑。如果已知圓周上三個任意點的坐標，代入上述圓方程即可求出0、0、R三個值。

1.2測試原理

本測試儀器主要由電源、顯示屏、按鍵、攝像頭、測距模塊、開關、外殼幾部分組成。測距模快收發裝置包括三組收發器和三個角度轉動器。在實際測量過程中，假設第一組測距收發器水平向下轉動 角度發射訊號，第二組測距模快收發器水平發射訊號，第三組收發器水平向上轉動 角度發射訊號，且相鄰兩組收發器之間的間隔距離為h，通過三組測距模快收發器檢測到待測圓周上點距離對應收發器之間的距離分別為a、b、c，則第一組收發器照射到圓周上對應點的坐標為A（a·cos ，-a·sin ），第二組收發器照射到圓周上對應點的坐標為B（b，h），第三組收發器照射到圓周上對應點的坐標為C（c·cos ，2h+c·sin ），于是根據圓周上任意三點A、B、C的坐標即可求得待測圓周的半徑，從而可以計算出圓的周長及面積，同時亦可定位出圓心相對測試儀的相對坐標。如圖1所示。

2基本結構及模塊設計

以超聲波測距模塊為例，結合設計原理做了基本結構和模塊設計。如圖2中，1為電池倉為設備提供電源， 2為顯示屏用以顯示攝像頭拍攝的對象及測距數據，3為按鍵用以輸入命令，4為攝像頭，5和6為測距模塊，8為把手， 9為電源開關。以上各部分按照圖3功能示意圖進行工作。

2.1結構設計

2.2模塊電路設計

整個設備主要分為5個模塊：系統模塊、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個模塊的電路原理示意圖。

3主要技術問題

（1）根據測試對象特點確定數據采集要求及系統精度。

（2）根據精度要求、數據采集實時性等多方面因素進行激光測距模塊的選型。

（3）確定傳感器及數據傳輸與計算方案。

4結論及展望

本文將圓周截面參數測試儀器采用的是基于儀器自身局部坐標系統的激光測量方法。對于小型的標準圓截面測試對象，只需要手持該儀器，對準待測物體，即可顯示被測物體的圓截面參數;大型測試對象，可手持儀器對測試物體多次測量求取平均值。除此之外，該測試儀器還可從待測物體內部對物體進行測量，更加增大了此儀器的實用性。該測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，能夠為測量制圖、拆除設計或者改造設計提供精確的測量數據。測量范圍可在1米到幾百米，甚至更大，能廣泛應用于土木、機械、建筑等領域，具有操作簡便、精度高、測量范圍廣等優點。

基金項目：冶金工業過程系統科學湖北省重點實驗室（武漢科技大學）開放基金（Y201717）;湖北省教育廳科學技術研究項目（Q20181109）;武漢科技大學教研項目（2019X055）。

參考文獻

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