基于动坐标系的便携式圆周截面参数测量方法及设备

司剑峰 陈浩 钟冬望

摘 要 工程中往往需要对大型的圆周截面建构筑物或设备的直径或周长进行测量，然而现有测试方法或技术存在无法测量或精度较差的问题，为解决大量圆周截面参数测量的问题，提出了一种基于手持式移动坐标系统的间接测量方法间接测出圆周上任意大于3个点在该移动坐标系下的坐标，然后通过解三元二次方程组或多元拟合的方式间接求解出圆周直径或周长的方法。基于该测量计算方法，介绍了其基本原理，并以超声波测距模块为例设计了测试设备的基本结构及主要模块电路图。最后分析了该测试方法的优缺点及技术难点，可供同领域工程人员参考。

关键词 圆周参数 间接测量 模块设计 测量设备

中图分类号：O411.1文献标识码：A

0绪论

圆周截面参数的测量在工程项目中的应用主要包括管道、柱形容器、圆弧形结构建筑物等直径或者周长的测量。现有的大直径测量方法也较多，包括大型千分尺、 尺、皮尺直接测量，弦高法、三点法、切点法、滚轮法、标记法、激光扫描等间接测量法。然而在实际工程测量中测试环境复杂多变、测试对象形态各异，以上测量技术和方法不能满足测试要求。直接测量法具有精度高的特点，然而大多工程中遇到的测量问题是无法直接进行测量的，且该方法的主观性较大，测量精度无法保证;弦高法、三点法、切点法、滚轮法、标记法等间接测量法需要接触被测物体，这一点在某些测量中也无法满足条件。激光扫描法和视觉测量法是一种间接的非接触式测量方法，具有较好的精度和稳定性，但是这一类测试往往设备自身的体积及重量较大，不适于野外工程测量。

激光/声波是较为常用的测距设备，激光/声波测距具有精度高、操作方便、稳定性好、便于携带等优点。若采用激光/声波对圆形区域基本尺寸进行测量，则需要提前定位出圆心位置。然而，工程测试中大多数是无法确定圆心位置的。同时，该方法也仅适用于平面圆周的测量。因此，在工程中遇到此类测量项目时会面临诸多问题而无法准确测量出准确数值。

1基本原理

1.1基本思路

通常的测量方法分为直接测量和间接测量。直接测量具有直观、精准的特点;间接测量是通过测量其他参数再经过计算或者变换后得到的数值。在几何图形圆中，半径R及圆心O是其重要的几何参数。如果已知半径R，则可计算出周长、面积等参数，因此半径R的获得至关重要。在平面坐标系中，圆周线是一个圆，可用（0）2+（0）2=R2来表示，其中0、0为圆心坐标，R为半径。如果已知圆周上三个任意点的坐标，代入上述圆方程即可求出0、0、R三个值。

1.2测试原理

本测试仪器主要由电源、显示屏、按键、摄像头、测距模块、开关、外壳几部分组成。测距模快收发装置包括三组收发器和三个角度转动器。在实际测量过程中，假设第一组测距收发器水平向下转动 角度发射讯号，第二组测距模快收发器水平发射讯号，第三组收发器水平向上转动 角度发射讯号，且相邻两组收发器之间的间隔距离为h，通过三组测距模快收发器检测到待测圆周上点距离对应收发器之间的距离分别为a、b、c，则第一组收发器照射到圆周上对应点的坐标为A（a·cos ，-a·sin ），第二组收发器照射到圆周上对应点的坐标为B（b，h），第三组收发器照射到圆周上对应点的坐标为C（c·cos ，2h+c·sin ），于是根据圆周上任意三点A、B、C的坐标即可求得待测圆周的半径，从而可以计算出圆的周长及面积，同时亦可定位出圆心相对测试仪的相对坐标。如图1所示。

2基本结构及模块设计

以超声波测距模块为例，结合设计原理做了基本结构和模块设计。如图2中，1为电池仓为设备提供电源， 2为显示屏用以显示摄像头拍摄的对象及测距数据，3为按键用以输入命令，4为摄像头，5和6为测距模块，8为把手， 9为电源开关。以上各部分按照图3功能示意图进行工作。

2.1结构设计

2.2模块电路设计

整个设备主要分为5个模块：系统模块、电源模块、串口模块、超声波模块和液晶显示模块，如图4所示为该5个模块的电路原理示意图。

3主要技術问题

（1）根据测试对象特点确定数据采集要求及系统精度。

（2）根据精度要求、数据采集实时性等多方面因素进行激光测距模块的选型。

（3）确定传感器及数据传输与计算方案。

4结论及展望

本文将圆周截面参数测试仪器采用的是基于仪器自身局部坐标系统的激光测量方法。对于小型的标准圆截面测试对象，只需要手持该仪器，对准待测物体，即可显示被测物体的圆截面参数;大型测试对象，可手持仪器对测试物体多次测量求取平均值。除此之外，该测试仪器还可从待测物体内部对物体进行测量，更加增大了此仪器的实用性。该测试仪器可用于某圆弧形状的建筑物、烟囱、水塔、冷却塔、管道等截面的尺寸，能够为测量制图、拆除设计或者改造设计提供精确的测量数据。测量范围可在1米到几百米，甚至更大，能广泛应用于土木、机械、建筑等领域，具有操作简便、精度高、测量范围广等优点。

基金项目：冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室（武汉科技大学）开放基金（Y201717）;湖北省教育厅科学技术研究项目（Q20181109）;武汉科技大学教研项目（2019X055）。

参考文献

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