本發(fā)明涉及長度測量技術領域，尤其涉及一種非接觸式空間曲線精密測量方法和裝置。

背景技術：

目前主要的日常測量手段主要是標尺類測量工具，包括日常用的直尺、皮尺和卷尺，此類測量工具屬于接觸性測量，即必須要能接觸到測量對象，必須將標尺對準測量對象，以達到測量的目的。此類工具的局限性主要在于接觸性，必須能夠接觸到測量對象，對于難以接觸的測量對象無法完成測量，另外一點并且在某些情況下，由于測量對象過長，單人無法實現(xiàn)測量操作。以上是最常用的測量方式。

另外一種常用的測量方式，稱之為不完全非接觸性測量，這里的測量方法作為本發(fā)明中所提到測量方法的基礎，這種測量方式即普通的激光測量儀，將其稱之為不完全非接觸性測量的原因在于，這種測量儀器的使用必須將測量儀放在測量對象的一端，將其對準測量對象的另外一端，并且測量對象的另外一端必須要有反射面，對激光測量儀發(fā)出的激光進行反射，完成測量，雖然這種測量方式不再需要標對測量工具和測量對象，但是依然需要將測量工具接觸測量對象，所以叫做不完全非接觸性測量。此種測量方式的基本原理是利用激光的反射原理，但是，激光是有固定速度的，從測量工具發(fā)出的激光通過與測量對象的直線路徑傳播，并且在到達測量對象的另外一端時進行發(fā)射，測量工具收到反射回來的激光信號，通過對這樣一個過程進行計時，激光的速度參與計算，以達到計算出所測對象的長度的目的。由于上述整個過程的開始和結束在于激光的發(fā)射和返回到測量工具，所測量的實際距離也就是這一段時間內激光走過的長度，所以在下文中，將這個激光的發(fā)射點和激光返回測量工具的這個點稱為測量點。

以上所說的這些測量方法，還存在一個主要的局限性，即對曲線的測量束手無策，一般，在生活中，確實缺少對曲線測量的有效方法，就算有方法，但是測量操作過程繁瑣，誤差大，并且缺少專門的曲線測量工具。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的旨在至少在一定程度上解決上述的技術問題之一。

為此，本發(fā)明的第一個目的在于提出一種非接觸式空間曲線精密測量方法，該方法能 夠做到徹底的非接觸性測量，在距離測量物體較遠的地方進行測量，并且能夠達到對曲面的測量的目的。

本發(fā)明的第二個目的在于提出了一種非接觸式空間曲線精密測量裝置。

對于一個三角形，在該方法中所建立的三角形由測量點和所測直線的兩個端點構成，確定其中一個頂點，這個頂點即測量點，并且知道該頂點的兩條邊的長度，即測量點到所測直線的兩個端點的直線距離，以及該頂點的兩條邊構成的夾角的大小，即對兩次角度信息進行做差的角度結果，就可以通過余弦定理來計算出該三角形另外一邊的長度，即所要測量的直線對象。

如說明書附圖2所見，可以得到的是AM、AN的長度d1，d2，以及∠MAN的大小α，可以通過以下余弦定理的公式來三角形的另外一邊MN的長度l：即測量的測量對象的長度。

下面在介紹曲線測量方法之前，首先介紹兩種思想，即微元和近似。首先，有一段曲線，將這段曲線盡可能多的進行分割，得到無數(shù)個盡可能短的曲線碎片，稱這些曲線碎片為曲線的微元，顯然對這些曲線的微元的長度進行求和就可以得到整條曲線的長度。接下來將用到近似的思想，對于前面提到的盡可能小的曲線的微元，顯然可以將兩個端點之間的直線距離近似看做這個曲線微元的長度，這種近似的誤差是極小的，當曲線微元越小，這種誤差也就越小。

將所測的曲線分成了盡可能多段的曲線，即以一定的頻率去采集了測量點和采集時刻對應的曲線上點的直線距離和角度信息，對于這些采集時刻對應的曲線上的點來說，每兩個相鄰點之間就是所需要的曲線微元，現(xiàn)在已經(jīng)確保這些曲線微元盡可能的小，在認同這些前提的情況下，可以近似的將這些每兩個相鄰點的直線距離當做這個曲線微元的實際長度，并且對這些長度進行疊加，即可得到整個曲線的長度?，F(xiàn)在需要解決的是每一小段曲線微元的長度問題，通過近似的方法，可以將曲線微元的兩個端點之間的直線距離看做這段曲線微元的長度，通過前文所提到的對直線測量的方法可以很好的解決這個問題，針對每一個曲線微元，現(xiàn)在已經(jīng)知道測量點到這個曲線微元的兩個端點的距離，以及測量點在測量這兩個端點時轉過的角度，通過前文提供的方法，可以計算出這個曲線微元兩個端點的直線距離，即這個曲線微元長度的近似值，這個誤差是足夠小的，通過對這些近似值進行疊加，就可以獲得這個整條曲線的長度。

簡單的來說，參考說明書附圖3，每一段虛線對應的就是通過固定頻率采集到的對應點，當然這里為了表述的方便，把這個間隔距離變大了，在實際應用中，這之間的間隔距離應該是足夠小的。針對每一個曲線的微元，這里把l1作為我們的研究對象，通過前面的測量操作，已經(jīng)知道了直線距離d1，d2，以及之間測量點A轉過的相對角度α1，通過前 文所提的公式和方法：可以得到l的長度，這里的l長度是每個曲線微元兩個端點的直線距離，已經(jīng)將這些曲線微元足夠的小，所以可以近似的將這些直線長度作為該曲線微元的實際長度。

通過對這每個曲線微元的近似長度進行疊加，運用疊加公式：l＝l₁+l₂+…+l_n以求得待測曲線的總長度。

根據(jù)本發(fā)明第一方面實施例提出的一種非接觸式空間曲線精密測量方法，包括以下步驟：

S1，確定測量點，i初值為1，點1為待測線的一個端點；

S2，獲取所述測量點到待測線的點i的距離d_i和第i個點的角度信息；

S3，獲取所述測量點到所述待測線的點i+1的距離d_i+1和第i+1個點的角度信息；

S4，根據(jù)所述第i個點的角度信息和所述第i+1個點的角度信息通過做差的方式確定相對旋轉角度α_i，運用公式確定i點到i+1點長度；

S5，判斷點i是否為待測線的最后一點，如果不是，則i＝i+1且重復執(zhí)行S2到S4，如果點i為待測線的最后一點，則n＝i，執(zhí)行S6，其中i為測量過程中不斷累加的i的最終值；

S6，通過公式l＝l₁+l₂+…+l_n確定所述待測線的長度。

通過本發(fā)明實施例的非接觸式空間曲線精密測量方法，首先確定測量點，接著獲取測量點到待測線的點的距離和角度信息，從而根據(jù)距離和角度信息確定待測線的長度。該方法能夠做到徹底的非接觸性測量，在距離測量物體較遠的地方進行測量，并且能夠達到對曲面的測量的目的。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的非接觸式空間曲線精密測量方法還可以具有如下附加的技術特征：

在一些示例中，當所述待測線為直線時，所述待測線的總點數(shù)n一定為2；獲取所述測量點到所述直線的起始點的距離d₁和第1個點的角度信息；獲取所述測量點到所述直線的終點的距離d₂和第2個點的角度信息；根據(jù)所述第1個點的角度信息和所述第2個點的角信息度做差確定相對旋轉角度α；通過公式確定所述直線的長度。

在一些示例中，根據(jù)所述第i個點的角度和所述第i+1個點的角度確定相對旋轉角度α_i具體包括：根據(jù)所述第i個點的角度信息和所述第i+1個點的角度信息得到角度信息差；所述角度信息差與360度的比值為所述旋轉角度α_i。

為達上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第二方面實施例提出的一種非接觸式空間曲線精密測量裝置，包括：激光測距模塊，用于提供測量點和獲取所述測量點到待測線的點的距離；角度傳感模塊，用于獲取角度信息；數(shù)據(jù)處理模塊，用于根據(jù)所述距離和角度信息確定所述 待測線的長度；顯示模塊，用于顯示所述待測線的長度。

本發(fā)明實施例的非接觸式空間曲線精密測量裝置，首先激光測距模塊提供測量點和測量點到待測線的點的距離，接著角度傳感模塊獲取角度信息，從而數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)距離和角度信息確定待測線的長度在顯示模塊顯示待測線的長度。該裝置能夠做到徹底的非接觸性測量，在距離測量物體較遠的地方進行測量，并且能夠達到對曲面的測量的目的。

如上所述這個激光測距模塊就是測量裝置的基礎，通過這樣一個測量裝置來獲得本測量裝置到某一點的直線距離。同時前文也提到過測量點的概念，即這里的激光發(fā)射點，這里的激光發(fā)射點就是激光從這里發(fā)出在返回時激光經(jīng)過該點，所得到的直線距離即該點到確定點的直線距離，所以稱此點為測量點。公式如下：

d＝vt/2

這里的d(m)為所測的直線距離，v(m/s)為激光的速度，t(s)為激光從發(fā)射到返回所經(jīng)過的時間。

由于這里的激光測距模塊發(fā)出的激光是沿著直線傳播的，所以通過轉動角度傳感器的旋轉軸達到旋轉激光測距模塊發(fā)出激光指向的方向，這里激光測距模塊發(fā)出激光所指向的方向就是所需要獲得的角度信息，通過旋轉測量待測線上不同的點對應的角度信息，即此時激光測距模塊的指向是不同的。需要說明的是該旋轉軸的圓心應該和測量點在豎直方向上重合，即該旋轉軸在進行轉動時，測量點同樣視作旋轉軸的軸心。另外固定方式為機械固定，該旋轉軸和激光測距模塊不能進行相對的位移和轉動。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的非接觸式空間曲線精密測量裝置還可以具有如下附加的技術特征：

在一些示例中，所述激光測距模塊具體用于：獲取所述測量點到待測線的起始點i的距離d_i；獲取所述測量點到待測線的另一個點i+1的距離d_i+1。

所述角度傳感模塊具體用于：第i個點的角度信息；獲取第i+1個點的角度信息。

在一些示例中，數(shù)據(jù)處理模塊具體用于：根據(jù)所述第i個點角度信息和所述第i+1個點角度信息做差確定相對旋轉角度α_i；通過公式和l＝l₁+l₂+…+l_n確定所述待測線的長度，其中n為不斷疊加的i的最終值。

在一些示例中，根據(jù)所述第i個點的角度和所述第i+1個點的角度確定旋轉角度α_i具體包括：根據(jù)所述第i個點的角度信息和所述第i+1個點的角度信息做差得到相對角度差角度信息差；所述角度信息差與360度的比值為所述旋轉角度α_i。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的非接觸式空間曲線精密測量方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明直線長度測量實施例中的測量點和所測直線的幾何示意圖；

圖3為本發(fā)明曲線長度測量實施例中的測量點和所測曲線的幾何示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的非接觸式空間曲線精密測量裝置的結構示意圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

下面參考附圖描述本發(fā)明實施例的非接觸式空間曲線精密測量方法和裝置。

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的非接觸式空間曲線精密測量方法的流程圖。

如圖1所示，本發(fā)明實施例的非接觸式空間曲線精密測量方法包括以下步驟：

S1，確定測量點，i初值為1，點1為待測線的一個端點；

S2，獲取所述測量點到待測線的點i的距離d_i和第i個點的角度信息；

S3，獲取所述測量點到所述待測線的點i+1的距離d_i+1和第i+1個點的角度信息；

S4，根據(jù)所述第i個點的角度信息和所述第i+1個點的角度信息通過做差的方式確定相對旋轉角度α_i，運用公式確定i點到i+1點長度；

S5，判斷點i是否為待測線的最后一點，如果不是，則i＝i+1且重復執(zhí)行S2到S4，如果點i為待測線的最后一點，則n＝i，執(zhí)行S6，其中i為測量過程中不斷累加的i的最終值；

S6，通過公式l＝l₁+l₂+…+l_n確定所述待測線的長度。

具體地，獲得測量點到線段一個端點的距離以及激光測距模塊發(fā)出激光指向該點時的角度信息，然后通過旋轉獲得測量點到該線段的另外一個端點的距離以及激光測距模塊發(fā)出激光指向該點時的角度信息，對角度信息做差獲得旋轉的相對角度，并對以上數(shù)據(jù)代入公式進行計算，不斷重復上述過程并對結果進行疊加得到待測線長度的結果。

需要說明的是，當待測線為直線時，待測線的總點數(shù)n為2，也就是直線的兩個端點。獲取測量點到直線的起始點的距離d₁和該點的角度信息。獲取測量點到直線的終點的距離d₂和該點的角度信息。根據(jù)第1個點的角度信息和第2個點的角信息度做差確定相對旋轉角度α。通過公式確定直線的長度。

結合圖2詳細說明直線測量的工作原理，圖2是本發(fā)明在實施直線長度測量時的幾何 示意圖，圖中所示的測量點可以是激光發(fā)射點。

具體而言，對于空間直線MN，長度為l，圖中的A作為我們的測量點，通過測量我們可以得到的是AM、AN的長度d1，d2，以及∠MAN的大小α，我們可以通過以下余弦定理的公式來三角形的另外一邊MN的長度l：即我們測量的測量對象的長度。

當待測線為曲線時，需要將曲線進行盡量小的切割和劃分，將曲線段劃分成很多條小的曲線段，我們知道，當這個小線段足夠多時，我們可以把每一條小的曲線段近似的看做是直線段，并且可以認為這條小的曲線段的長度與這條近似的直線段的長度相同，如果可以得到這些近似直線段的長度，并且對l＝l₁+l₂+…+l_n進行求和，就可以得到一整條曲線段的長度了。

具體地，對測量點的要求是測量點與所測曲線必須要可以可以構成一個平面，從測量點發(fā)出的激光束對準該曲線的一個端點開始，通過微小旋轉盡可能多的獲得測量點到曲線上不同點的距離長度以及測量每兩個相鄰點時測量點轉過的角度，直到測量點對準該曲線的末端端點為止，同時也應獲得測量點到末端端點的距離以及最后一次旋轉的角度，將以上數(shù)據(jù)帶入本發(fā)明提供的公式即可得到所測量的曲線長度的結果。

結合圖3詳細說明曲線測量的工作原理，圖3是本發(fā)明在實施曲線長度測量時的幾何示意圖，圖中所示的測量點可以是激光發(fā)射點。

具體而言，對于空間中的某條曲線段MN，假設這條曲線段的長度為l，并且我們找到空間中一定點A，對于該點的限制條件為該點A與所知的曲線段MN能夠構成一個平面。盡可能多的獲得該點A到曲線段MN上不同點(以下簡稱已知點)的距離di，并且能夠得到點A到曲線上這些已知點中每兩個相鄰點的線段所形成的角度αi，如果這些已知點足夠多，每兩個已知點之間的小段曲線可以近似看做小段直線進行計算，可以通過之前對于空間直線的測量方法對于每兩個已知點之間的微小曲線長度進行計算： 并且對這些微小曲線l＝l₁+l₂+…+l_n進行求和，就可以得到一整條曲線段的長度l了。

為了更加直觀了解本發(fā)明的測量準確度，下面結合表1和表2詳細說明。在測量直線時的三種情況，分別為距離測量平面15cm，90cm和200cm處，對于實際長度分別為為10、40、90、200cm測量結果及其平均值和誤差情況。如表1所示：

表1測量直線時的三種情況

在測量曲面長度分別為10cm、40cm時的測量結果平均值及誤差情況。如表2所示：

表2測量曲線時的兩種情況

通過本發(fā)明實施例的非接觸式空間曲線精密測量方法，首先確定測量點，接著獲取測量點到待測線的點的距離和角度信息，從而根據(jù)距離和角度信息確定待測線的長度。該方法能夠做到徹底的非接觸性測量，在距離測量物體較遠的地方進行測量，并且能夠達到對曲面的測量的目的。

與上述實施例提供的非接觸式空間曲線精密測量方法相對應，本發(fā)明的一種實施例還提供一種非接觸式空間曲線精密測量裝置，由于本發(fā)明實施例提供的非接觸式空間曲線精密測量裝置與上述實施例提供的非接觸式空間曲線精密測量方法具有相同或相似的技術特征，因此在前述非接觸式空間曲線精密測量方法的實施方式也適用于本實施例提供的非接觸式空間曲線精密測量裝置，在本實施例中不再詳細描述。如圖4所示，該非接觸式空間曲線精密測量裝置可包括：激光測距模塊10、角度傳感模塊20、數(shù)據(jù)處理模塊30和顯示模塊40。

其中，激光測距模塊10用于提供測量點，獲取測量點到待測線上的點的距離。

角度傳感模塊20獲取角度信息。

數(shù)據(jù)處理模塊30用于根據(jù)距離和角度信息確定待測線的長度。

顯示模塊40用于顯示待測線的長度。

在一些示例中，激光測距模塊10具體用于：獲取所述測量點到待測線的起始點i的距離d_i；獲取所述測量點到待測線的另一個點i+1的距離d_i+1。

在一些示例中，角度傳感模塊20具體用于：獲取測第i個點的角度信息；第i+1個點的角度信息。

在一些示例中，數(shù)據(jù)處理模塊30具體用于：根據(jù)所述第i個點角度信息和所述第i+1 個點角度信息做差確定相對旋轉角度α_i；通過公式和l＝l₁+l₂+…+l_n確定所述待測線的長度，其中n為不斷疊加的i的最終值。

在一些示例中，根據(jù)所述第i個點的角度和所述第i+1個點的角度確定旋轉角度α_i具體包括：根據(jù)所述第i個點的角度信息和所述第i+1個點的角度信息做差得到相對角度差角度信息差；所述角度信息差與360度的比值為所述旋轉角度α_i。

具體而言，簡單的激光模塊10以及在其中的激光發(fā)射點作為測量過程中的測量點，該模塊下方固定角度傳感器的旋轉軸以及連接在一起的角度傳感模塊20，將激光距模塊10和角度傳感模塊20與數(shù)據(jù)處理模塊30進行電氣連接，數(shù)據(jù)處理模塊30主要由單片機芯片構成，并且與顯示模塊40進行電氣連接，用于數(shù)據(jù)處理和顯示結果。

本發(fā)明實施例的非接觸式空間曲線精密測量裝置，首先激光模塊提供測量點獲取測量點到待測線的點的距離，接著角度傳感模塊和角度信息，從而數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)距離和角度信息確定待測線的長度在顯示模塊顯示待測線的長度。該裝置能夠做到徹底的非接觸性測量，在距離測量物體較遠的地方進行測量，并且能夠達到對曲面的測量的目的。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個”的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結合和組合。

流程圖中或在此以其他方式描述的任何過程或方法描述可以被理解為，表示包括一個或更多個用于實現(xiàn)特定邏輯功能或過程的步驟的可執(zhí)行指令的代碼的模塊、片段或部分，并且本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的范圍包括另外的實現(xiàn)，其中可以不按所示出或討論的順序，包括根據(jù)所涉及的功能按基本同時的方式或按相反的順序，來執(zhí)行功能，這應被本發(fā)明的實施例所屬技術領域的技術人員所理解。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。