CN106168461B - 一种新型远距离测量定标仪 - Google Patents
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Abstract
一种新型远距离测量定标仪，属于测量领域，尤其涉及远距离非接触测量的定标方法。本发明主要解决远距离测量的定标的问题，提供一种远距离检测非接触式定标方法及其具体实施途径。本发明由同平面内两支夹角很小的激光笔、一个激光测距仪与两个角度传感器(一个水平面内的转角传感器、一个铅垂面内的俯仰角传感器)组成。根据检测时拍摄设备的水平角、俯仰角以及到被测面的距离等数据计算出所拍照片上两个激光点的中心距，进而得到照片上每个像素点的大小，从而实现远距离检测中的定标功能。主要用于对难以接近的被检测目标进行远距离图像检测时的定标，使得检测结果可以量化分析与比对，提高检测的数字化，检测结论更加科学。
Description
技术领域
本发明涉及测量领域，尤其涉及远距离非接触测量的定标方法及实现。
背景技术
远距离定量检测的关键因素在于线度测量，要在远距拍摄的数码照片上完成精确测量，首先必须标定每个像素的大小，即图像中的一个像素所代表的实际宽度，其单位是mm/pix。这个过程称之为“定标”，定标的精度直接关系到测量的精度。
传统定标一般做法是在拍摄目标物时，将已知实际长度和面积的标尺放在目标物旁边，拍摄时将标尺包含进去，要求标尺颜色尽量单一，便于快速提取。比如在需要被摄取的裂缝旁贴一标准长度的黑色纸条。采集图像后经过处理，可提取图像中黑色纸条在长度方向上的像素点个数，纸条的标准长度除以像素点个数即得到一个像素所代表的宽度。如纸条的长度是100mm，实际测得像素点个数是1000个。那么一个像素所代表的实际宽度＝100/1000＝0.1mm/pix。
这种方法的优点是标尺长度固定且贴近测量目标，定标误差小，换算方法简单易于实现。但是其主要缺点是人必须能够接近目标才能放置标尺，不适合远距离定标及测量——如果检测人员有办法接近目标放置标尺，即可直接使用接触式裂缝测宽仪及米尺测量裂缝的宽度与长度，根本无需再去进行定标→测量→换算等一系列繁琐的工作。
发明内容
【要解决的技术问题(发明目的)】本发明为了解决远距离测量的定标的问题，提供一种远距离检测非接触式定标方法及实现。
【技术方案】远距离检测定标仪由同平面内两支夹角α很小的激光笔、一个激光测距仪与两个角度传感器(一个水平面内的水平转角传感器、一个铅垂面内的俯仰角传感器)组成。由激光笔射出的两束激光，在与观测方向垂直的目标平面上形成两个光斑，其中心距离d与测距仪测得的到目标平面的距离S1(由激光测距仪直接测得)之间存在着线性关系(如图1所示)：
（1）
上式中，S0为两支激光笔反向延长的交点到测距仪测距起点平面的距离，与两支激光笔的夹角α一起作为定标仪的初始参数，由于仪器组装存在偏差，每台仪器均需单独标定，每次维修后或正式检测工作前也需要重新进行标定与校正，以保证检测测量的准确性。
用(1)式计算机出来的结果只是当测距仪正对被测平面时，两个定标激光点之间的距离。通常情况下，测距仪并不总能正对被测面，而是与正对被测面方向存在水平夹角β和俯仰角θ(分别由水平转角传感器与俯仰角传感器测得)，如图2所示。图中平面OCBD为被测面，AO方向为正对被测面方向，AB长为S(＝S1+S0)，照片上两个激光点间的距离，即图2中线段EF长度即为需要求出的定标长度d。
根据图2中三角关系，可以求得：
（2）
式中：
定标仪的初始参数α和S0的标定，可采用正对测试平面的方法，测量一组S1和d值，再用最小二乘法对测得数据进行最佳直线拟合，这里推荐利用Excel中LINEST函数，可以很快得到所需的参数。如有定标仪初始测试数据见表1：
表1实测S1-d标定数据(单位：米)
则用LINEST函数可以得到表2：
表2LINEST函数部分结果
由r值可以看出，d-S1线性相关性还是比较好的，这就为高精度的远距离定标奠定了基础。可得：
S0＝b/k＝0.5039659
α＝2•Atan(k)＝0.0528793
此二值即为该仪器的初始化参数，代入(2)式，结合拍照实时保存的S1、β和θ，即可计算出d值，再测得对应图像上两光点中心之间的像素数n，即可得到该图片的定标值f＝d/n，其单位为：米/像素(m/Pix)，从而实现远距离定标。
【有益效果】与现有技术相比，本发明的有益效果在于：为远距离定量检测定标提供了一种可行的解决方案，给出了详细的论证与推导，得到实用的定标公式。硬件实施可按图3虚框所示制作独立设备，但多数情况下是根据具体需求将其应用在特定检测仪器上。一般与图像采集设备一起，结合专用软件，在电脑控制下完成拍照、参数(距离、角度等)记录、自动定标及后续测量、数据分析等工作。图4即是将本发明应用在一款远距离桥梁外观检测仪上，弥补了传统桥检存在的不足，能够很好地解决人工桥检或利用桥检车进行桥检在人员安全、适检桥型、对交通与环境的影响等诸多问题，能够快速、准确地搜寻并采集桥梁病害信息，提高了检测人员工作效率，解决了远距桥梁病害检测的一大难题。其二，应用本发明的桥检仪与传统的人工结合桥检车检测方式相比较，综合考虑人员开支、租用桥检车、燃油费、过路费等各方面因素，利用桥检仪进行桥检的费用仅仅相当于利用桥检车的十分之一到八分之一，具体数据对比如表3所示。
表3利用桥检车与桥检仪进行桥检单位工作日检测费用对比表
附图说明
图1为本发明的定标原理示意图；
图中：1-激光笔 2-激光测距仪 3-角度传感器
图2为本发明的通用定标示意图；
图中：θ-俯仰角 β-水平转角 S-距离(＝S0+S1)
图3为本发明的硬件结构示意图；
图中：1-水平转角传感器 2-俯仰角传感器 3-激光测距仪 4-定标激光笔
5-单片机主控单元 6-RS232串行数据端口 7-高清摄像机 8-高清物镜 9-笔记本电脑
图4为本发明的应用实例示意图；
图中：1-定标激光笔 2-水平转角传感器 3-俯仰角传感器 4-激光测距仪
5-高清摄像机物镜 6-定标激光笔发射孔 7-大容量锂电池。
具体实施方式
本发明主要由两支激光笔、一个激光测距仪与两个角度传感器(一个水平面内的水平转角传感器、一个铅垂面内的俯仰角传感器)组成，在一个单片机主控单元的控制下完成远距离视频图像检测中非接触式定标工作，从而解决远距离视频图像检测时的定量测量问题。可以用于所有远距离视频图像检测仪器上，具体硬件实施可按图3所示，根据特定检测仪器的具体需求，与图像采集设备一起，分别通过RS232串行数据端口和USB接口连接笔记本电脑，结合专用软件，在电脑控制下完成拍照、参数(距离、角度等)记录、自动定标及后续测量、数据分析等工作。
激光笔发光功率根据检测所需最远距离以及工作环境光线条件来定，通常光照下20m左右的检测距离需要20mW的激光笔。两支激光笔的夹角与检测的最近距离、最远距离及照片放大倍数均有关系，太小会导致测量相对误差变大，太大则会限制照片放大倍数，需要根据具体情况调试到最佳。两支激光笔发出的两条光线必须处于同一平面内，被测面上的两个光点尽量汇聚、规则且水平分布。
激光测距仪的量程与精度根据检测仪器的需求而定，市面上有多种型号可供选择。要求能在单片机的控制下完成测距工作。
俯仰角传感器角度范围150°，其中俯视角60°，仰视角90°。水平转角传感器角度范围为360°，特别需要注意的是如果水平转角用磁偏角传感器，在设计组装检测仪器时就要保证其尽量远离摄像机镜头——因为镜头内有用于调焦、变倍、调整光圈的电机，其磁场对磁偏角传感器影响很大！还要保证其总是工作在水平面内。
单片机主控单元对内控制激光笔、角度传感器、激光测距仪以及摄像机镜头的调焦、变倍、光圈工作并收集数据信息，对外通过RS232串行数据端口与笔记本电脑相连，完成数据流与控制流信息交换。为减少干扰避免测距误差，激光测距仪测距时需要临时关闭激光笔。
本发明实施例除了图4所示的桥检仪外，也将用于正在研发的快速移动智能桥梁安全检测***的视频检测设备中。可以说，只要是远距离的视频图像检测仪器或设备，均可应用本发明进行测量定标。
Claims (5)
1.一种远距离检测定标仪，其特征是，该定标仪由两支激光笔、一个激光测距仪与两个角度传感器组成，两个所述角度传感器分别为水平面内的水平转角传感器、铅垂面内的俯仰角传感器；两支激光笔发出的两束激光必须位于同一平面内，固定在远距离检测设备上面，并保证有一个很小的夹角；激光测距仪置于远距离检测设备侧面，测距时射出的光线应与激光笔所在平面及远距离检测设备镜头的主光轴平行；俯仰角传感器安装在远距离检测设备中；水平转角传感器则安装在远距离检测设备支架上；
两支激光笔射出的两束激光，在目标平面上形成两个激光点，两个激光点间的距离即为定标长度d：
其中：，；为两支激光笔的夹角；β为激光测距仪与正对被测面方向存在的水平夹角；θ为激光测距仪与正对被测面方向存在的俯仰角；S0为两支激光笔反向延长的交点到激光测距仪测距起点平面的距离；S1为激光测距仪测得的到目标平面的距离。
2.根据权利要求1所述的远距离检测定标仪，其特征是，所述的定标仪用在远距离检测设备上，该远距离检测设备还包括单片机主控单元、光学成像单元、视频图像接口和数字信息控制接口；单片机主控单元控制激光笔、激光测距仪、角度传感器协同工作，由激光笔射出的两束激光，在观测目标平面上形成两个光斑，检测采集图像时将其拍摄并连同距离、角度数据信息保存下来，根据空间立体几何关系求得两光斑的中心距离，结合所拍图像上测到的像素数，得到该图像每个像素的大小，从而实现远距离测量定标。
3.根据权利要求1所述的远距离检测定标仪，其特征是，水平转角传感器要保证在水平面内实现360°转动，远距离检测设备支架需要有水平调节标尺。
4.根据权利要求2所述的远距离检测定标仪，其特征是，单片机主控单元通过RS232串行数据端口与笔记本电脑相连，用以发送距离、角度数据信息并接收电脑的控制信号。
5.根据权利要求2所述的远距离检测定标仪，其特征是，激光测距仪工作时需要关闭激光笔。
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