PL239906B1 - Urządzenie do pomiarów przemieszczeń - Google Patents

Description

PL 239 906 B1

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.).

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 101-RS3 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

PL 239 906 B1 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 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 obserwacji 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.

Celem wynalazku jest opracowanie urządzenia pomiarowego, które umożliwi, 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. 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 płaszczyźnie 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, ponadto kamera elektroniczna, mająca zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych XkykZk, połączona jest z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych oraz zwrócona jest obiektywem w stronę ramy odniesienia i tarczy pomiarowej.

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.

PL 239 906 Β1

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 x_ryrZr 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 x_rz_r wyznaczonej przez kartezjański układ współrzędnych ramy odniesienia.

Korzystnie również jest, gdy odpowiednie osie kartezjańskich układów współrzędnych: kamery elektronicznej XkykZk i ramy odniesienia x_ryrz_r 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.

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

r_k = M*-T_r+T* (η gdzie:

- Mr jest to macierz obrotu, opisująca zależność kątową między układem o współrzędnych __₍ ramy odniesienia (x_ryrz_r) a układem współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk);

- T* to wektor translacji, określający przesunięcie początku układu współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrz_r) od początku układu współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk);

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

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

Macierz obrotu to macierz kwadratowa, która w euklidesowej przestrzeni 3D ma wymiar 3x3 elementy (wzór 2). Dziewięć współczynników macierzy obrotu Mr są to liczby rzeczywiste, które stanowią związki funkcji trygonometrycznych (sinusów i cosinusów) trzech kątów obrotów (tzw. kątów Euler’a, oznaczonych greckimi literami): omega (ćot), phi (ę>r) i kappa (»), przy czym, w pierwszej kolejności stosuje się obrót układu ramy odniesienia 3 (xryrZ_r) o kąt omega (cor) wokół osi x_r (oś pierwszego obrotu), następnie o kąt phi (ę>r) wokół osi y_r (oś drugiego obrotu) i ostatecznie o kąt kappa (») wokół osi Zr (oś trzeciego obrotu). Jest to tzw. konwencja ω-φ-κ. Kąty ca, φτ, κ określają rotację układu współrzędnych ramy odniesienia 3 (xryrZ_r) względem układu współrzędnych kamery 6 (XkykZk).

mu ^m2i m₃i m₁₂ m₁₃ m₂₂ m₂₃ ^m32 ^m33 .

(2)

PL 239 906 Β1 gdzie:

mi i = coscą cosa?

mi2 = cosć»r sin>&+ siiwsinę* cosw mi3 = siiwsirw- cos®rsinę>r cosw ni2i = - cosęv sin/cr m22 = cosćź>cosat - siiwsinę* sin/&

m23 = siiw COS/&+ cosć»rsinę>r sin/&

ΓΠ31 = sinęv m32 = - siiwcosę* m33 = cos»rcosę>r

W zagadnieniu odwrotnym do przedstawionego powyżej, w tzw. konwencji κ-φ-ω, określa się zależność kątową, pomiędzy układem współrzędnych kartezjańskich kamery elektronicznej 6 (XkykZk) względem układu współrzędnych ramy odniesienia 3 (x_ryrZr). Zależność tą opisuje, przy założeniu ortogonalności macierzy obrotu wzór 3, z którego wynika, że odwrotność macierzy ortogonalnej jest równa jej transpozycji. Stąd macierz R_k , określająca kątową zależność między układem współrzędnych kamery elektronicznej 6 (XkykZk) a układem współrzędnych ramy odniesienia 3 (x_ryrz_r), przedstawia wzór 4.

W¹ = = R_k = R (3) m_1Ł m₂₁ m₃₁ m₁₂ m₂₂ tn₃₂ (4) m₁₃ m₂₃ m₃₃

W celu określenia wektora translacji T_ki który określa przesunięcie początku układu współrzędnych kamery elektronicznej 6 (XkykZk) od początku układu współrzędnych ramy odniesienia 3 (xryrZr), na podstawie znanej macierzy obrotu R^r _k i wektora translacji I* , korzysta się z wzoru 5.

(5)

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

T_r=R^r _k-T_k+T^ (6)

Na podstawie macierzy(lub R’_k) (wzory 2 i 4) można wyznaczyć kąty obrotów a*, φ<, κ (wzór 7). Wynik obliczeń uzyskujemy w radianach, natomiast w celu przeliczenia na stopnie należy przemnożyć wynik przez przelicznik 1807π.

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

K_r = —atan2(m_2i,m₁y

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

r_k = Myr_r + T* (η gdzie:

- Mr jest to macierz obrotu, opisująca zależność kątową między układem o współrzędnych ramy odniesienia (xryrZ_r) a układem współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk);

PL 239 906 Β1

- to wektor translacji, określający przesunięcie początku układu współrzędnych ramy __₎ odniesienia (xryrZ_r) od początku układu współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk);

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

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

Macierz obrotu m!) to macierz kwadratowa, która w euklidesowej przestrzeni 3D ma wymiar 3x3 elementy (wzór 2). Dziewięć współczynników macierzy obrotu Mr są to liczby rzeczywiste, które stanowią związki funkcji trygonometrycznych (sinusów i cosinusów) trzech kątów obrotów (tzw. kątów Euler’a, oznaczonych greckimi literami): omega (cor), phi (¢^) i kappa (»), przy czym, w pierwszej kolejności stosuje się obrót układu ramy odniesienia 3 (xryrZ_r) o kąt omega (cor) 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 Zr (oś trzeciego obrotu). Jest to tzw. konwencja ω-φ-κ. Kąty ca, ψτ, κ określają rotację układu współrzędnych ramy odniesienia 3 (xryrZ_r) względem układu współrzędnych kamery 6 (XkykZk).

	mu	m12	mi3
=	m2i	m22	m23
	.m3i	m32	m33 .

(2) gdzie:

mu = cosęjrcos/s mi2 = cosć»r sin>&+ sin®rsinę>r cosw mi3 = sin®rsin«-- cos®rsinę>r cosw m2i = - cosęł sin/c_r m22 = cos<w cosa? - sin®rsinę>r sin»· m23 = sine* COS/&+ cos®rsinę>r sin»· msi = sinę>r m32 = - sin®rcosę>r m33 = cosć»rcosę>r

W zagadnieniu odwrotnym do przedstawionego powyżej, w tzw. konwencji κ-φ-ω, określa się zależność kątową, pomiędzy układem współrzędnych kartezjańskich kamery elektronicznej 6 (XkykZk) względem układu współrzędnych ramy odniesienia 3 (x_ryrZr). Zależność tą opisuje, przy założeniu ortogonalności macierzy obrotu , wzór 3, z którego wynika, że odwrotność macierzy ortogonalnej jest równa jej transpozycji. Stąd macierz R^ , określająca kątową zależność między układem współrzędnych kamery elektronicznej 6 (XkykZk) a układem współrzędnych ramy odniesienia 3 (x_ryrz_r), przedstawia wzór 4.

w¹ = = R_k = R (3) « = (Mf)^r

mu	m2i	m3i
m12	m22	m32
mi3	m23	m33

(4)

W celu określenia wektora translacji T_k, który określa przesunięcie początku układu współrzędnych kamery elektronicznej 6 (XkykZk) od początku układu współrzędnych ramy odniesienia 3 (xryrZr), na podstawie znanej macierzy obrotu R^r _k i wektora translacji , korzysta się z wzoru 5.

(5)

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

X_r = R^r _k-X_k + n (6)

PL 239 906 Β1

Na podstawie macierzy Af* (lub R^) (wzory 2 i 4) można wyznaczyć kąty obrotów a*, φ<, κ (wzór 7). Wynik obliczeń uzyskujemy w radianach, natomiast w celu przeliczenia na stopnie należy przemnożyć wynik przez przelicznik 1807π.

ω_τ = “Cttan2(m₃₂, m₃₃) φ_Γ = asin(m₃₁)

K_r = —atan2(m_2i,m₁₁) (7)

Następnie, w analogiczny sposób do przedstawionego powyżej, określa się zależność między kartezjańskim! układami współrzędnych tarczy pomiarowej 4 (xtytzt) i kamery elektronicznej 6 (XkykZk), czyli wyznacza się macierz obrotu R[ (określającą zależność kątową między układem współrzędnych kamery eleWronicznej 6 (XkykZk) a układem współrzędnych tarczy pomiarowej 4 (xtytzt)) i wektor translacji (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 oprogramowanie, wyznacza się przesunięcia ( i ^£) ^oraz rotacje (°7?£ i między kartezjańskim i układami współrzędnych: tarczy pomiarowej 4 (xtytzt) względem ramy odniesienia 3 (x_ryrZr), 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! układami współrzędnych: kamery elektronicznej XkykZk, ramy odniesienia x_ryrZr i tarczy pomiarowej xtytzt w pozycji wyjściowej pomiarowej to, natomiast fig. 5 - przedstawia zależność między kartezjańskim! układami współrzędnych: kamery elektronicznej XkykZk, ramy odniesienia x_ryrZr i tarczy pomiarowej xtytzt w pozycji aktualnej pomiarowej ti.

Przykład 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. 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 zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych ramy odniesienia x_ryrZr. 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 opisane w tym przykładzie, 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.

PL 239 906 Β1

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 układem opisanym w przykładzie:

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. 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: x_ryrz_r i xtytzt były 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 x_ryrz_r ramy odniesienia 3 , natomiast 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. 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 (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 układu 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 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 (xryrZ_r) są względem siebie równoległe, czyli macierz obrotu (macierz opisująca zależność kątową między układem współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytzt) a układem współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrZr)) jest macierzą jednostkową;

• oś yk kartezjańskiego układu współrzędnych kamery elektronicznej 6 jest zwrócona w przybliżeniu prostopadle i centralnie do ramy odniesienia 4 - wartości kątów ωκ, /λ (określające rotację układu współrzędnych kamery elektronicznej XkykZk w kartezjańskim układzie współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrz_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: °r{i (wektor przesunięcia początku układu współrzędnych ramy odniesienia (xryrZ_r) od początku układu współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk)), = [-145.00; -200.00; -95.00]) i °T_k (wektor określający przesunięcie początku układu współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) od początku układu współrzędnych tarczy

PL 239 906 Β1 pomiarowej (xtytzt)) (°T^ = [118.07; -219.13; 62.03]). Oblicza się również macierze obrotów:”^ (macierz opisująca zależność kątową między układem współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) a układem współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrz_r)) i (macierz opisująca zależność kątową między układem współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) a układem współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytzt)).

Onr _ Kk ~	0.9999 0.0120 —0.0072	-0.0120 0.9999 0.0096	0.0073' -0.0095 0.9999
0 nt _ Kk ~	0.9999 0.0120 -0.0072	-0.0120 0.9999 0.0096	0.0073' -0.0095 0.9999

Na podstawie macierzy ^aR_k wyznacza się (wzór 7) wartości kątów: ca, cp^, Kk, określające rotację układu współrzędnych kamery elektronicznej XkykZk względem układu współrzędnych ramy odniesienia (xryrZr) (ca = 0.544°, ę>k = 0.421°, Kk = 0.685°).

Ponieważ obie macierze obrotów °R_k i ^R^ są sobie równe, więc kąty obrotów: ca, cp, Kr (określające rotację układu współrzędnych tarczy pomiarowej xtytzt w układzie współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrZr)) wynoszą ca = 0.000°, cp = 0.000°, w = 0.000°. Świadczy to, że odpowiednie osie układów współrzędnych XkykZk i XryrZr są wzajemnie równoległe.

Stosując wzór nr 5 oblicza się wektor °T_k (przesunięcie początku układu kamery elektronicznej (XkykZk) od początku układu ramy odniesienia (x_ryrz_r)):

°T{ = - °R_k * °7? = [148.07; -199.13; 92.03],

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

⁰7f - [30.00; 20.00; 30.00],

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

W określonym cyklu pomiarowym (w czasie pomiaru aktualnego ti) na zarejestrowanych obrazach podobnie oblicza się (fig. 5) wartości wektorów translacji: = [148.07;-199.13; 92.03]) i ¹7’^ ( ¹r^= [113.52;-222.36; 60.95]) oraz macierze obrotów: i , na podstawie których wyznacza się przesunięcie tarczy pomiarowej 4 względem ramy odniesienia 3 (¹^ = [31.12; 21.98; 33.06], oraz macierz obrotu (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 0.0087

0.9999 -0.0044

0.0045 1.0000

Na podstawie macierzy wyznacza się (wzór 7) kąty obrotu ca, cp, Kr (określające rotację w czasie ti układu współrzędnych tarczy pomiarowej xtytzt w układzie współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrZr): ca = 0.250°, cp = 0.500°, κ = 0.750°). Obliczone wartości składowych wektora ¹7’[i kąty obrotu ca, <p, Ktw czasie ti są zgodne z założonymi wartościami, przyjętymi w tym przykładzie obliczeniowym.

P rzy kład 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 przymocowany jest na stałe wysięgnik 5. Tarcza pomiarowa 4 posiada sygnały kontrolowane 12 ima zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych tarczy pomiarowej xtytzt. Natomiast rama odniesienia 3 posiada sygnały odniesienia 11 ima określony kartezjański układ współrzędnych ramy odniesienia x_ryrZr. Dodatkowo do wysięgnika 5 przymocowana jest kamera elektro

PL 239 906 Β1 niczna 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.

Urządzenie do pomiaru przemieszczeń opisane w tym przykładzie, 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. 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 należy prowadzić przy ustalonych warunkach oświetleniowych.

Sposób pomiaru przemieszczeń układem opisanym w przykładzie:

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 opisane w tym przykładzie, 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.

Wykaz oznaczeń:

- 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 to - czas pomiaru wyjściowego ti - czas pomiaru aktualnego x_ryrZr - kartezjański układ współrzędnych ramy odniesienia xtytzt - kartezjański układ współrzędnych tarczy pomiarowej XkykZk - kartezjański układ współrzędnych kamery elektronicznej <ά, (p, Kr - trzy kąty Euler’a, określające rotację układu współrzędnych ramy odniesienia x_ry_rZr ωι, <p, κι - trzy kąty Euler’a, określające rotację układu współrzędnych tarczy pomiarowej xtytzt ro k, <3k, Kk- trzy kąty Euler’a, określające rotację układu współrzędnych kamery elektronicznej XkykZk

X,¹/??- macierze obrotu, opisujące zależność kątową między układem współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytzt) a układem współrzędnych ramy odniesienia (xryrZ_r), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to i aktualnego w czasie ti

Claims (33)

1. PL 239 906 Β1 °Ft |,^t, - wektory translacji, określające przesunięcie początku układu współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytzt) od początku układu współrzędnych ramy odniesienia (xryrZ_r), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to i aktualnego w czasie ti ^_ macierze obrotu, opisujące zależność kątową między układem współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) a układem współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytzt), odpo___i __₍ wiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to i aktualnego w czasie ti wektory translacji, określające przesunięcie początku układu współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) od początku układu współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytzt), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to i aktualnego w czasie ti macierze obrotu, opisujące zależność kątową między układem współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) a układem współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrz_r), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to i aktualnego w czasie ti °T^, wektory translacji, określające przesunięcie początku układu współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) od początku układu współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrz_r), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to i aktualnego w czasie ti

   Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do pomiarów przemieszczeń, zawierające kamerę elektroniczną, połączoną z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD oraz fotopunkty rejestrowane na obrazach, znamienne tym, że zawiera ramę odniesienia (3), z naniesionymi co najmniej czterema sygnałami odniesienia (11), które są osadzone w jednej płaszczyźnie XrZr, w lokalnym kartezjańskim układzie współrzędnych x_ry_rZr, 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).
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.

    PL 239 906 B1
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.
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 xtytzt 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.