PL239595B1 - Urządzenie do pomiarów przemieszczeń - Google Patents

Abstract

Sposób pomiarów przemieszczeń, przy udziale urządzenia będącego przedmiotem zgłoszenia, polega na tym, że ramę odniesienia (3), 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 pion światłowodowy (14), mającą zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych xpypzp. Kamerę elektroniczną (6), mającą zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych xkykzk, umieszcza się tak, aby obiektyw zwrócony był w stronę ramy odniesienia (3), tarczy pomiarowej (4) i przestrzennej tarczy podwieszanej (16). Następnie cyklicznie rejestruje się obrazy wykonane kamerą elektroniczną (6), 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 xpypzp pionu światłowodowego (14).

Description

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.).

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 regularnych struktur geometrycznych (spirale), wytrawionych na szklanych płytkach, z chwilą zmiany

PL 239 595 B1 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 pionu światłowodowego umożliwia odniesienie wyników pomiarów do linii pionu. Pion światłowodowy pozwala wyznaczyć kąty pochylenia mierzonego obiektu w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach.

Zastosowany pion światłowodowy posiada podstawę, do której przytwierdzony jest wspornik pionu. Wspornik pionu ma zawieszony światłowód, którego górny koniec jest oświetlony jest przez źródło światła, a dolny koniec jest wyposażony w tłumik. Przebieg linii pionu wyznacza się metodą fotogrametryczną, na podstawie pomiaru położenia końca światłowodu.

Celem wynalazku jest opracowanie urządzenia pomiarowego do pomiarów przemieszczeń, 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. Opracowany wynalazek może być stosowany jako pojedynczy zestaw lub zwielokrotniony na elementach obiektu.

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 płaszczyźn ie XtZt, w lokalnym kartezjańskim układzie współrzędnych XtytZt. 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 XkykZk i połączona jest z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych oraz zwrócona jest obiektywem w stronę ramy odniesienia i tarczy pomiarowej. Ponadto do ramy odniesienia przytwierdzony jest pion światłowodowy, który ma w dolnej części kamerę elektroniczną pionu, połączoną z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD) oraz wspornik pionu, który w środku górnej, części ma otwór, w którym z użyciem zawiesia światłowodu, zawieszony jest światłowód o długości d, którego górny koniec oświetlony jest przez źródło światła przy czym pion światłowodowy ma zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych XpypZp.

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.

PL 239 595 B1

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 pion światłowodowy połączony jest z ramą odniesienia w sposób rozłączny, za pomocą śrub sprzęgających.

Korzystnie również jest, gdy pion światłowodowy połączony jest z ramą odniesienia na stałe.

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

Korzystnie również jest, gdy światłowód jest pojedynczym światłowodem włóknistym o przekroju kołowym.

Korzystnie także jest, gdy światłowód jest światłowodem włóknistym w postaci wiązki o liczbie włókien większej od jedności.

Zastosowany pion światłowodowy jest elementem pomiarowym, w którym linia pionu pokrywa się z siłą ciężkości, przebiegającą wzdłuż światłowodu, który jest cięgnem pionu światłowodowego. Wychylenie kątowe światłowodu, o znanej długości d, od linii pionu, wyznacza się na podstawie pomiaru położenia dolnego, świecącego końca światłowodu, metodą fotogrametryczną, z użyciem kamery elektronicznej.

Zależność pomiędzy kartezjańskim i układami współrzędnych: ramy odniesienia 3 (XryrZr) 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 kartezjańskimi układami współrzędnych.

PL 239 595 BI

X_k = M^T_r + T* (1) gdzie:

- M_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 (x_ryrZ_r) od początku układu współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk);

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

- to wektor określający położenie danego punktu w układzie współrzędnych kamery elektronicznej (x_kykZ_k).

Macierz obrotu to macierz kwadratowa, która w euklidesowej przestrzeni 3D ma wymiar 3x3 elementy (wzór 2). Dziewięć współczynników macierzy obrotu 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 (x_ry_rz_r) o kąt omega (ωτ) 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 ω-φ-κ. Kąty ca, cpr, κ określają rotację układu współrzędnych ramy odniesienia 3 (χ_Γγ_Γζ_Γ) względem układu współrzędnych kamery 6 (XkykZk).

^mn m_2i ^m3i nii2 m₁₃ m₂₂ m₂₃ ^m32 ^m33 .

(2) gdzie:

m 11 — COS ęY COS Kr mi2 = cos ca sin Kr + sin ca sin cpr cos Kr

Π113 = Sin ca Sin Kr - COS ca Sin Cf>r COS Kr m21 = - COS cpr sin Kr m22 = COS ca COS Kr - sin ca sin cpr sin Kr m23 = sin ca COS Kr + COS ca sin cpr sin Kr m31 = 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 (x_ryrZ_r). Zależność tą opisuje, przy założeniu ortogonalności macierzy obrotu , wzór 3, z którego wynika, że odwrotność macierzy ortogonalnej jest pr równa jej transpozycji. Stąd macierz określająca kątową zależność między układem współrzędnych kamery elektroniczną 6 (XkykZk) a układem współrzędnych ramy odniesienia 3 (x_ry_rz_r), przedstawia wzór 4.

M-¹ = (Μ^Γ¹ = (MW = R^r _k = R (3)

*1 = =	mu m12	m2i m22	m3i' m32	(4)
	m13	m23	m33

ψν

W celu określenia wektora translacji ‘k , który określa przesunięcie początku układu współrzędnych kamery elektronicznej 6 (XkykZk) od początku układu współrzędnych ramy odniesienia 3 (x_ry_rz_r), nr Tk na podstawie znanej macierzy obrotu k i wektora translacji ¹ r, korzysta się z wzoru 5.

PL 239 595 BI

Tl = -Rl Tl (5)

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

T_r = R^r _k-r_k + Tź (6)

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

= — atan2(m₃₂,m₃₃) φ_τ = asin(m₃₁) (7)

Następnie, w analogiczny sposób do przedstawionego powyżej, określa się zależność między kartezjańskim i układami współrzędnych tarczy pomiarowej 4 (xtytZt) i kamery elektronicznej 6 (XkYkZk), pi czyli wyznacza się macierz obrotu (określającą zależność kątową między układem współrzędnych kamery elektronicznej 6 (XkykZk) a układem współrzędnych tarczy pomiarowej 4 (xtytZt)) i wektor transyt 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 θτΓ 0 nr 1 nr oprogramowanie, wyznacza się przesunięcia ( fi ¹1) oraz rotacje ( i ^Λί) 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, pionu światłowodowego ΧρΥρΖρ i tarczy pomiarowej XtytZt w pozycji wyjściowej pomiarowej to, fig. 5 - przedstawia zależność między kartezjańskim i układami współrzędnych: kamery elektronicznej XkYkZk, ramy odniesienia x_ryrZ_r, pionu światłowodowego x_Py_Pz_p i tarczy pomiarowej XtytZt w pozycji aktualnej pomiarowej ti, natomiast fig. 6 - przedstawia zależność między kartezjańskim i układami współrzędnych: kamery elektronicznej XkYkZk, ramy odniesienia x_ryrZ_r, pionu światłowodowego x_Py_Pz_p i tarczy pomiarowej XtytZt w kolejnej pozycji pomiarowej w czasie t2, przy pochyleniu: ramy odniesienia, pionu światłowodowego i kamery elektronicznej oraz tarczy pomiarowej.

PL 239 595 B1

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 przytwierdzony jest śrubami sprzęgającymi 9 pion światłowodowy 14, posiadający kamerę elektroniczną pionu 15, połączoną przewodem transmisyjnym kamery elektronicznej pionu 16 z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD) 7 i wspornik pionu 17. W środku górnej części wspornika pionu 17, poprzez otwór 20 z użyciem zawiesia światłowodu 18, zawieszony jest światłowód 21 o długości d, którego górny koniec oświetlony jest przez źródło światła 19. Natomiast dolny koniec światłowodu 21, wyposażony jest w obciążnik 22 i sygnalizowany jest przez punkt P, który obserwowany jest przez kamerę elektroniczną pionu 15. 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 pion światłowodowy 14 ma zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych pionu światłowodowego XpypZp. 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 XpypZp pionu światłowodowego 14. 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 i 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. Natomiast w przypadku kamery elektronicznej pionu 15 należy dobrać rozdzielczość matrycy oraz zastosowany obiektyw tak aby w sposób optymalny obs erwować i rejestrować położenie końca światłowodu 21, reprezentowanego przez punkt P. Rejestrację obrazów kamerą elektroniczną 6 i kamerą elektroniczną pionu 15 należy prowadzić przy ustalonych warunkach oświetleniowych.

Sposób realizacji 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 pionem światłowodowym 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 pionu światłowodowego 14 z ramą odniesienia 3, kartezjańskie układy współrzędnych: ramy odniesienia XryrZr i pionu światłowodowego XpypZp, również są względem siebie równoległe. Tak przygotowany obiekt i urządzenie pomiarowe nadaje się do realizacji obserwacji cyklicznych, w założonym interwale czasowym, i pozwala określić zachodzące przemieszczenia na mierzonym obiekcie. Wyznaczone przemieszczenia odnoszą się do wzajemnych przemieszczeń elementów: pomiarowego 1 i odniesienia 2.

Przed rozpoczęciem właściwych pomiarów urządzenie według wynalazku kalibruje się. W przypadku ramy odniesienia 3 określa się położenie sygnałów odniesienia 11 w kartezjańskim układzie współrzędnych XryrZr ramy odniesienia 3. Dla tarczy pomiarowej 4 wyznacza się położenie sygnałów kontrolowanych 12 w kartezjańskim układzie współrzędnych XtytZt tarczy pomiarowej 4, a w przypadku pionu światłowodowego 14 określa się kierunki i wartości wychyleń kątowych linii pionu, o znanej długości d, na podstawie pomiaru położenia dolnego, świecącego końca światłowodu 21 (punktu kontrolnego P), metodą fotogrametryczną, z użyciem kamery elektronicznej pionu 15, w kartezjańskim układzie współrzędnych XpypZp pionu światłowodowego 14. Dla kamery elektronicznej 6 i kamery elektronicznej pionu 15 wyznacza się elementy orientacji wewnętrznej wraz z parametrami dystorsji układu optycznego, stosując znane fotogrametryczne procedury. Dla pionu światłowodowego 14 określa się położenie

PL 239 595 BI zerowe układu współrzędnych pionu światłowodowego χ_Ργ_Ρζ_ρ, w którym pochylenie kątowe osi z_p wynosi 0°. Tarczę pomiarową 4 i ramę odniesienia 3 sytuuje 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 kamerą elektroniczną pionu 15 obrazy położenia końca świecącego światłowodu 21 (punkt kontrolny P) (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.

Zarejestrowane kamerą elektroniczną 6 obrazy przesyła się do systemu CRPD 7, gdzie następuje ich przetwarzanie i archiwizacja.

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;

• podczas pomiaru wyjściowego (w czasie to) odpowiednie osie kartezjańskich układów współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytZt) i ramy odniesienia (x_ry_rz_r) są względem siebie Opr równoległe, czyli macierz obrotu (macierz opisująca zależność kątową między układem współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytZt) a układem współrzędnych ramy odniesienia (x_ry_rz_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 ak, cpk, Kk (określające rotację układu współrzędnych kamery elektronicznej XkykZk w kartezjańskim układzie współrzędnych ramy odniesienia (x_ry_rz_r)) oblicza się na etapie pomiaru wyjściowego (w czasie to) i pomiaru aktualnego (w czasie ti).

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 * (wektor określający przesunięcie początku układu współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) od początku układu współrzędnych tarczy pomiarowej

Oyt Onr (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 współ-

R^ rzędnych ramy odniesienia (x_ryrZ_r)) i ⁿk (macierz opisująca zależność kątową między układem współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) a układem współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytZt)).

« =	0.9999 0.0120 .-0,0072	-0.0120 0.9999 0.0096	0.0073 -0.0095 0.9999.
	0.9999	-0.0120	0.0073
X =	0.0120	0.9999	-0.0095
	.-0,0072	0.0096	0.9999.

Opr

Na podstawie macierzy wyznacza się (wzór 7) wartości kątów: ca, cpk, Kk, określające rotację układu współrzędnych kamery elektronicznej XkYkZk względem układu współrzędnych ramy odniesienia Onr Oni (x_ry_rz_r) (ak = 0.544°, qk = 0.421°, Kk = 0.685°). Ponieważ obie macierze obrotów ⁿk i ⁿk są sobie równe, więc kąty obrotów: ca, φι, w (określające rotację układu współrzędnych tarczy pomiarowej XtytZt w układzie współrzędnych ramy odniesienia (x_ry_rz_r)) wynoszą ca = 0.000°, φι = 0.000°, w = 0.000°.

PL 239 595 BI

Świadczy to, że odpowiednie osie układów współrzędnych XkYkZk i x_ryrZ_r są wzajemnie równoległe. Stosując wzór nr 5 oblicza się wektor ¹ k (przesunięcie początku układu kamery elektronicznej (XkykZk) od początku układu ramy odniesienia (x_ry_rz_r)):

°T^ = - °R^r _k * °^ = [148.07; -199.13; 92.03].

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

= [30.00; 20.00; 30.00],

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

W określonym cyklu pomiarowym (w czasie pomiaru aktualnego t-ι) na zarejestrowanych obralyr lyr zach podobnie oblicza się (fig. 5) wartości wektorów translacji: k ( k = [148.07;-199.13; 92.03])

ItF Ipt Inr i k( ¹ k [113.52; -222.36; 60.95]) oraz macierze obrotów: ⁿk i na podstawie których wyznacza

1,7 się przesunięcie tarczy pomiarowej 4 względem ramy odniesienia 3 ( ¹1 = [31.12; 21.98; 33.06], oraz inr macierz obrotu “t (macierz opisująca zależność kątową między układem współrzędnych tarczy pomiarowej (x_tytz_t) a układem współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrZ_r)).

¹R^ =

0.9999

0.0131 .-0.0087

-0.0131 0.0087

0.9999 -0.0044

0.0045 1.0000.

inr

Na podstawie macierzy “t wyznacza się (wzór 7) kąty obrotu ca, φι, « (określające rotację w czasie ti układu współrzędnych tarczy pomiarowej XtytZt w układzie współrzędnych ramy odniesienia 1 yr (x_ry_rz_r): ca = 0.250°, <a = 0.500°, w = 0.750°). Obliczone wartości składowych wektora ^J t i kąty obrotu ca, φι, κι 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 pionu światłowodowego 14. W tym celu analizuje się wyniki pomiarów fotogrametrycznych, określających położenie dolnego, świecącego końca światłowodu 21 (punkt kontrolny P) na obrazach zarejestrowanych kamerą elektronicznej pionu 15. Jeżeli wyniki pomiarów wychyleń pionu światłowodowego 14 są w czasie pomiaru aktualnego ti takie same jak w czasie pomiaru wyjściowego to, na poziomie dokładności pomiarów tego urządzenia, wówΙβΡϋ czas macierz P jest macierzą jednostkową i pion światłowodowy 14 wykazuje stałość położenia ramy odniesienia 3 (jednocześnie elementu odniesienia 2) w czasie pomiaru aktualnego ti (fig. 5).

W tym przypadku, wyznaczone przemieszczenie względne tarczy pomiarowej 4 względem ramy odniesienia 3 odnoszą się do linii pionu, zrealizowanej przez pion światłowodowy 14 (fig. 5).

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 przytwierdzony jest śrubami sprzęgającymi 9 pion światłowodowy 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, a pion światłowodowy 14 ma zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych pionu światłowodowego x_Py_Pz_p. 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 239 595 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 pionu światłowodowego 14.

W tym przykładzie wykonania wpływ warunków środowiskowych jest ograniczony do minimum. 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 i kamerą elektroniczną pionu 15 należy prowadzić przy ustalonych warunkach oświetleniowych.

Sposób realizacji 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 4.

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 realizacji pomiaru przemieszczeń:

Sposób jak w przykładzie 1, czyli względne przemieszczenie tarczy pomiarowej 4 w odniesieniu 2nr _lor do ramy odniesienia 3 w czasie t2 jest takie same jak w czasie t-i ( ⁿt — ⁿt), z tym, że kamera elektroniczna 6 umieszczona jest na stanowisku obserwacyjnym 13, niezwiązanym z mierzonym obiektem (fig. 3) oraz element odniesienia 2 jak i stanowisko obserwacyjne 13 doznały przemieszczeń 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) oraz kamerą elektroniczną pionu 15 obrazy położenia końca świecącego światłowodu 21 (punkt kontrolny P) (fig. 3). Jeżeli element odniesienia 2, reprezentowany przez ramę odniesienia 3, doznał przemieszczenia, wówczas występują istotne różnice w wynikach pomiarów fotogrametrycznych na obrazach zarejestrowanych kamerą elektroniczną pionu 15, przekraczające założone wartości dopuszczalne (fig. 6, czas kolejnego pomiaru t2).

W przykładzie obliczeniowym przyjęto, że na podstawie wyników pomiarów fotogrametrycznych na obrazach zarejestrowanych kamerą elektroniczną pionu 15 obliczone kąty obrotu pionu światłowodowego 14 wynoszą odpowiednio: «ψ = -0.2565°, = -0.4967° i przy założeniu, że po kalibracji osie współrzędnych x_py_p pionu światłowodowego 14 są równoległe z osiami współrzędnych x_ry_r ramy odnie2_fiPo sienią 3, wówczas kąt Kp = 0.000°. Wtedy macierz obrotu P , określająca położenie pionu światłowo2nPo dowego 14 w czasie t2, oraz macierz ⁿr określająca położenie ramy odniesienia 3 względem linii pionu, są sobie równe i wynoszą:

1.0000

0.0000

0.0087

0.0000 —0.0087

1.0000 0.0045

-0.0045 1.0000.

Na podstawie znanych w literaturze wzorów przeprowadza sie obliczenia położenia tarczy po2ηΡθ miarowej 4 względem linii pionu, a macierz obrotu ⁿr ma wartość:

PL 239 595 BI ^ZR

0.9999

0.0131 .-0.0001

-0.0131

0.9999

-0.0001

0.0001'

0.0001

1.0000.

2ηΡϋ

Kąty obrotu tarczy pomiarowej 4 względem linii pionu, otrzymane z macierzy t (wzór 7), przyjmują odpowiednio wartości: ca = -0.0065°, cpi = 0.0033°i w = 0.7522°. Kąty obrotu ramy odniesienia 2nP0 względem linii pionu, otrzymane z macierzy ⁿr (wzór 7), przyjmują wartości: ca = -0.2565°, cpr = -0.4967°i Kr = 0.0000°. Wektor przesunięcia tarczy pomiarowej 4 w stosunku do ramy odniesienia 3 Ργτ ( ¹1), wyznaczony w kartezjańskim układzie współrzędnych χ_Ργ_Ρζ_ρ pionu światłowodowego 14, czyli odniesiony do linii pionu, wynosi:

= [30.83; 22.13; 33.23]

Otrzymane wyniki obliczeń potwierdziły przyjęte założenia odnośnie położenia ramy odniesienia 3, tarczy pomiarowej 4, kamery elektronicznej 6 i pionu światłowodowego 14 w czasie t2. Cały tok obliczeń przeprowadza się w systemie CRPD 7, stosując odpowiednie algorytmy.

Wykaz oznaczeń: 1 2 3 4 5 6 7 8 9

11 12

14

16 17 18 19

21 22 P d to ti t2

XrYrZ_r XtYtZt XkYkZk ΧρΥρΖρ ca, ψτ, Kr ca, φι, w

- element pomiarowy

- 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

- pion laserowy

- kamera elektroniczna pionu

- przewód transmisyjny kamery elektronicznej pionu

- wspornik pionu

- zawiesie światłowodu

- źródło światła

- otwór

- światłowód

- obciążnik

- punkt kontrolny

- długość światłowodu

- czas pomiaru wyjściowego

- czas pomiaru aktualnego, przy stałości elementu odniesienia

- czas kolejnego pomiaru aktualnego, przy pochyleniu elementu odniesienia

- kartezjański układ współrzędnych ramy odniesienia

- kartezjański układ współrzędnych tarczy pomiarowej

- kartezjański układ współrzędnych kamery elektronicznej

- kartezjański układ współrzędnych pionu światłowodowego

- trzy kąty Euler’a, określające rotację układu współrzędnych ramy odniesienia x_ryrZ_r

- trzy kąty Euler’a, określające rotację układu współrzędnych tarczy pomiarowej XtytZt

PL 239 595 Β1

όφ, (φ, Αρ	- trzy kąty Euler’a, określające rotację układu współrzędnych pionu laserowego χΡγΡζρ
GX, q\, Tik	- trzy kąty Euler’a, określające rotację układu współrzędnych kamery
o 50 >3 e*-1	elektronicznej XkYkZk - macierze obrotu, opisujące zależność kątową między układem współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytZt) a układem współrzędnych ramy odniesienia (χΓγΓζΓ), odpowiednio podczas pomiaru: wyjścio-
Oyr l^r Ζγ’Γ	wego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t2 - wektory translacji, określające przesunięcie początku układu współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytZt) od początku układu współrzędnych ramy odniesienia (χΓγΓζΓ), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czaeio
θρί ipt 2nt Kk’ Kk' Kk	olc 12 - 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, aktualnego w czac io ł«
O^t k^rt 2γΐ 1 k’ 1 k’ 1 k	olc 12 - 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 czaeio
0 nr 1Dr 2Dr ^k’ Kk’ Kk	olc 12 - 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 czaeio
Oyr Ιΐτ 2ψτ 1 k’ 1 k’ lk	olc 12 - 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 czaeio
OnP InP 2nP Kk’ Kk’ Kk	olc 12 - macierze obrotu, opisujące zależność kątową między układem współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) a układem współrzędnych pionu laserowego (xpypzp), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t2
OnP IpP 2pP λγ, ΛΓ, nr	- macierze obrotu, opisujące zależność kątową między układem współrzędnych ramy odniesienia (xryrzr) a układem współrzędnych pionu laserowego (xpypzp), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t2
OnPo IpPo 2 „Po Kp , Kp , Kp	- macierz obrotu, opisująca zależność kątową układu współrzędnych pionu światłowodowego (xpypzp) względem linii pionu, odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t2
2Rp0	- macierz obrotu, określająca zależność kątową układu współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytZt) względem linii pionu
2^° ρτί	- macierz obrotu, określająca zależność kątową układu współrzędnych ramy odniesienia (xryrzr) względem linii pionu - wektor translacji, określający przesunięcie początku układu współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytZt) w stosunku do początku układu współrzędnych ramy odniesienia (xryrzr), wyznaczony w kartezjańskim układzie współrzędnych pionu laserowego xPyPzp, czyli odniesiony do linii pionu

PL 239 595 B1

Zastrzeżenia patentowe

Claims (40)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do pomiarów przemieszczeń, zawierające kamerę elektroniczną, połączoną z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD) i pion oraz fotopunkty rejestrowane na obrazach, znamienne tym, że zawiera ramę odniesienia (3), z naniesionym i co najmniej czterema sygnałami odniesienia (11), które są osadzone w jednej płaszczyźnie XrZr, w lokalnym kartezjańskim układzie współrzędnych XryrZr, 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), ponadto do ramy odniesienia (3) przytwierdzony jest pion światłowodowy (14), który ma w dolnej części kamerę elektroniczną pionu (15), połączoną z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD) (7) oraz wspornik pionu (17), który w środku górnej, części ma otwór (20), w którym z użyciem zawiesia światłowodu (18), zawieszony jest światłowód (21) o długości d, którego górny koniec oświetlony jest przez źródło światła (19) przy czym pion światłowodowy (14) ma zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych XpypZp.
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że system centralnej rejestracji i przetwarzania danych (7) jest przenośnym mikrokomputerem.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały odniesienia (11) mają postać kwadratów.
4. 4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że kwadraty mają wypełnienie kolorem białym i/lub czarnym.
5. 5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały odniesienia (11) mają postać koncentrycznych okręgów.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały odniesienia (11) mają postać koła.
7. 7. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały odniesienia (11) mają postać krzyża.
8. 8. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały odniesienia (11) mają postać znaku kodowego.
9. 9. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały odniesienia (11) są rozmieszczone na ramie odniesienia (3) w sposób regularny.
10. 10. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały kontrolowane (12) mają postać kwadratów.
11. 11. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że kwadraty mają wypełnienie kolorem białym i/lub czarnym.
12. 12. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały kontrolowane (12) mają postać koncentrycznych okręgów.
13. 13. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały kontrolowane (12) mają postać koła.
14. 14. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały kontrolowane (12) mają postać krzyża.
15. 15. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały kontrolowane (12) mają postać znaku kodowego.
16. 16. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały kontrolowane (12) są rozmieszczone na tarczy pomiarowej (4) w sposób regularny.
17. 17. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że urządzenie zawiera wysięgnik (5).
18. 18. Urządzenie według zastrz. 17, znamienne tym, że kamera elektroniczna (6) połączona jest z wysięgnikiem (5) w sposób rozłączny, za pomocą śruby sprzęgającej (9).
19. 19. Urządzenie według zastrz. 17, znamienne tym, że kamera elektroniczna (6) połączona jest z wysięgnikiem (5) na stałe.

    PL 239 595 B1
20. 20. Urządzenie według zastrz. 17, znamienne tym, że wysięgnik (5) przymocowany jest za pomocą śrub mocujących (10) do elementu odniesienia (2) niezależnie od ramy odniesienia (3).
21. 21. Urządzenie według zastrz. 17, znamienne tym, że wysięgnik (5) przymocowany jest na stałe do ramy odniesienia (3).
22. 22. Urządzenie według zastrz. 17, znamienne tym, że wysięgnik (5) ma postać płaskownika w kształcie litery L.
23. 23. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że kamera elektroniczna (6) ustawiona jest na stanowisku obserwacyjnym (13) niezwiązanym z mierzonym obiektem.
24. 24. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że tarcza pomiarowa (4) znajduje się wewnątrz ramy odniesienia (3).
25. 25. Urządzenie według zastrz. 24, znamienne tym, że odpowiednie osie kartezjańskich układów współrzędnych: tarczy pomiarowej xtytzt i ramy odniesienia Xryrzr w pomiarze wyjściowym są względem siebie w przybliżeniu równoległe.
26. 26. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że kamera elektroniczna (6) połączona jest bezprzewodowo z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych (7).
27. 27. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że oś yk kartezjańskiego układu współrzędnych kamery elektronicznej (6) jest w przybliżeniu prostopadła do płaszczyzny Xrzr wyznaczonej przez kartezjański układ współrzędnych ramy odniesienia (3).
28. 28. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że odpowiednie osie kartezjańskich układów współrzędnych: kamery elektronicznej Xkykzk i ramy odniesienia Xryrzr w pomiarze wyjściowym są względem siebie w przybliżeniu równoległe.
29. 29. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że oś yk kartezjańskiego układu współrzędnych kamery elektronicznej (6) jest zwrócona w przybliżeniu centralnie do ramy odniesienia (3).
30. 30. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że rama odniesienia (3) ma postać ramy prostokątnej.
31. 31. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że rama odniesienia (3) ma postać obręczy.
32. 32. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że tarcza pomiarowa (4) ma postać prostokąta.
33. 33. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że tarcza pomiarowa (4) ma postać koła.
34. 34. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że pion światłowodowy (14) połączony jest z ramą odniesienia (3) w sposób rozłączny, za pomocą śrub sprzęgających (9).
35. 35. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że pion światłowodowy (14) połączony jest z ramą odniesienia (3) na stałe.
36. 36. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że po połączeniu pionu światłowodowego (14) z ramą odniesienia (3), kartezjańskie układy współrzędnych ramy odniesienia Xryrzr i pionu światłowodowego Xpypzp są względem siebie równoległe.
37. 37. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że światłowód (21) jest światłowodem włóknistym.
38. 38. Urządzenie według zastrz. 37, znamienne tym, że światłowód włóknisty jest światłowodem o przekroju kołowym.
39. 39. Urządzenie według zastrz. 38, znamienne tym, że światłowód (21) jest światłowodem włóknistym pojedynczym.
40. 40. Urządzenie według zastrz. 38, znamienne tym, że światłowód (21) jest światłowodem włóknistym w postaci wiązki o liczbie włókien większej od jedności.