Способ и устройство для измерения размеров конструкции
Изобретение предназначено для измерения размеров конструкций, в частности для определения протяженности и размеров здания или транспортного средства. Измерительное устройство 1 содержит два инерциальных измерительных блока 3 и 4, размещенных на расстоянии друг от друга, каждый из которых содержит по меньшей мере два акселерометра и по меньшей мере два гироскопа для восприятия вращений. Устройство снабжено средством для сопряжения с измеряемыми конструкциями. Указанное измерительное устройство и базовый пункт, обеспечивающий получение реперной точки для измерительного устройства, могут входить в состав измерительной установки. Изобретение позволяет повысить надежность результатов измерений. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способам и устройствам, предназначенным для измерения размеров конструкции, в частности для определения протяженности и размеров здания или транспортного средства. Преимущественно изобретение относится к измерительному устройству, содержащему гироскопы и акселерометры.
Уровень техники
При измерении размеров объектов или конструкций, например зданий или транспортных средств, возникает проблема точности измерения. Для ее решения требуется соответствующая квалификация и, как правило, трудоемкое манипулирование измерительным устройством.
В патентном документе US 5852241 описана установка, предназначенная для измерения размеров транспортных средств, и, конкретно, для измерения углов колес и направлений осей крупного транспортного средства, такого как грузовик. Система содержит измерительные блоки, которые устанавливают на транспортном средстве и посредством которых измеряют угловые и линейные размеры различных деталей указанного средства. Результаты измерений передаются в компьютер, производящий вычисление геометрических параметров транспортного средства с отображением полученных данных на мониторе. В установке использованы лазеры, для которых нужна неперекрытая линия визирования, а также оборудование, требующее прецизионных процедур, выполняемых оператором вручную.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в разработке измерительного оборудования, управляемого несложным образом и обеспечивающего надежные результаты измерений.
Для решения указанной задачи в рамках изобретения создано устройство, предназначенное для измерения размеров стационарной конструкции и содержащее два инерциальных измерительных блока (inertial measuring units, IMU), измеряющих ускорения в одинаковых направлениях. Указанные блоки представляют собой измерительные приборы, которые содержат средства, реагирующие на перемещение, а именно акселерометры и гироскопы. Такие приборы были сконструированы и нашли применение для отслеживания положений, наклонов и скоростей движущихся транспортных средств, например самолетов и подводных лодок. Затем для получения длин и углов воспринятые ускорения и угловые скорости интегрируются по времени, соответственно двукратно и однократно. Измерительное устройство по настоящему изобретению имеет корпус, к которому прикреплен каждый инерциальный измерительный блок. Эти блоки закреплены на расстоянии L друг от друга, причем каждый из них содержит средство, реагирующее на ускорения, и средство, реагирующее на вращения. Наличие двух блоков обеспечивает дублирование и может быть использовано для детектирования ошибок измерения.
Таким образом, предлагается устройство для измерения размеров конструкций, которое содержит два инерциальных измерительных блока, размещенных на расстоянии друг от друга. Предусмотрена также возможность снабдить устройство средством для контактирования с измеряемыми конструкциями. Кроме того, предлагается установка, в состав которой входят измерительное устройство и базовый пункт, образующий реперную точку для измерительного устройства. Далее, предлагается комплект, состоящий из измерительного устройства и переходных узлов (адаптеров), обеспечивающих сопряжение между указанным устройством и измеряемой конструкцией. Изобретение предлагает также способ измерения размеров стационарной конструкции, использующий указанное измерительное устройство, а в предпочтительном варианте - указанный измерительный комплект.
В одном из вариантов осуществления два инерциальных измерительных блока работают в различных рабочих диапазонах. Первый из блоков по сравнению со вторым имеет повышенное разрешение, обеспечивая более высокую точность измерений. Другой блок, имея расширенный рабочий диапазон, способен, тем не менее, обеспечить получение данных измерений в ситуациях, когда на измерительное устройство воздействуют сильные ускорения, лежащие за пределами рабочего диапазона первого блока.
В предпочтительном варианте один из инерциальных измерительных блоков содержит три акселерометра, ориентированных в первом, втором и третьем координатных направлениях, причем другой блок также снабжен тремя акселерометрами, ориентированными в тех же первом, втором и третьем направлениях.
В одном из вариантов осуществления измерительное устройство содержит по меньшей мере один ролик, причем единственный или каждый ролик выполнен с возможностью свободного вращения относительно измерительного блока и обеспечивает сопряжение (контактирование) этого блока и измеряемой поверхности. В одном из предпочтительных вариантов корпус выполнен вытянутым по одному направлению, а ролик установлен на одном из его концов вдоль этого направления.
Изобретение предлагает также измерительный комплект, состоящий из описанного выше измерительного устройства и адаптера, обеспечивающего сопряжение с измеряемой конструкцией. При этом адаптер и данное устройство выполнены с возможностью их разъемного соединения. Предусмотрена также возможность снабдить адаптер роликом или колесиком, выполняющим функцию сопрягающего средства. Другой вариант адаптеров по изобретению представляет собой втулки, насаживаемые на выступающие детали конструкции и обеспечивающие тем самым фиксированную точку замера при сопряжении с выступающей деталью, такой как головка болта. Другие адаптеры, сконструированные применительно к ответным отверстиям, выполненным в измеряемом объекте, имеют, например, конические профили различных размеров. Для контакта с точкой замера предлагаются, кроме того, адаптеры, обеспечивающие удлинение измерительного устройства, например содержащие удлиненный стержень, прикрепленный к одному концу устройства.
Далее, изобретение предлагает базовый пункт измерительного устройства, выполненный с возможностью вводить в него это устройство в заданном положении и, предпочтительно, с заданной ориентацией, чтобы обеспечить для устройства реперную точку и, предпочтительно, исходную ориентацию. Тем самым задается начало координат для измерений.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 иллюстрирует измерительное устройство по изобретению.
Фиг.2 иллюстрирует измерительное устройство, снабженное роликом для контактирования с поверхностью.
Фиг.3 иллюстрирует измерительное устройство, снабженное втулкой для сопряжения с выступом измеряемого объекта.
Фиг.4 иллюстрирует удлиненный стержень, приводящийся в контакт с точками замера, расположенными на конструкции, например, в узких проходах или труднодоступных местах, в частности на потолке внутри комнаты.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлено измерительное устройство 1, имеющее корпус 2, в котором размещены по меньшей мере два инерциальных измерительных блока 3, 4. Корпус имеет удлиненную форму, напоминающую стержень, а размер его выбран из условия удобства манипулирования и соответствует размеру мобильного телефона или пишущей ручки, чтобы легко удерживаться в руке. Каждый инерциальный измерительный блок (IMU) содержит по меньшей мере два, а предпочтительно три акселерометра, которые реагируют на ускорения ах, aу, аz, ориентированные в перпендикулярных направлениях, предпочтительно в трех взаимно перпендикулярных направлениях х, у, z. Каждый из IMU 3, 4 снабжен также по меньшей мере двумя, а предпочтительно тремя гироскопами, реагирующими на вращения, т.е. на угловые скорости ωх, ωy, ωz вращений вокруг перпендикулярных направлений, предпочтительно вокруг трех взаимно перпендикулярных направлений х, у, z. IMU 3, 4 размещены на фиксированном расстоянии L друг от друга, на противоположных концах измерительного устройства 1. Оба IMU 3, 4 проводят измерения в одинаковых направлениях, т.е. могут независимо друг от друга обеспечить проведение двух независимых измерений перемещения измерительного устройства 1. Предусмотрена возможность выполнить устройство 1 в предпочтительном варианте с возможностью подачи сигнала тревоги, указывающего на дефектное измерение, в случае слишком сильного отклонения результатов измерений, т.е. в ситуации, когда для блоков превышена номинальная погрешность измерений.
Кроме того, измерительное устройство снабжено источником питания (не показан), таким как батарейка, а также коммуникационным средством (не показано), таким как беспроводное коммуникационное средство, например приемопередатчик, для осуществления коммуникации с внешним компьютерным блоком. Пример такого блока проиллюстрирован на фиг.6, где представлен портативный компьютер с дисплеем, выполненный с возможностью обеспечить оператору пользовательский интерфейс во время измерительного цикла. Предусмотрена также возможность снабдить IMU надлежащим компьютерным средством для вычисления, на основе воспринятых ускорений и угловых скоростей, углов и расстояний, таких как длина, высота и ширина объектов. В альтернативном варианте такие вычисления проводит внешний компьютерный блок (такой как портативный компьютер 14, показанный на фиг.6), на который от IMU поступают данные измерений.
Перемещением измерительного устройства 1 по оси х обеспечивается проведение двух измерений ускорения в этом направлении. Предпочтительно, чтобы IMU 3, 4 относились к разным типам, например различались между собой по чувствительности. В частности, первый IMU 3 может иметь акселерометры с диапазоном измерений 0-1 g (g - гравитационная постоянная, 9,8 м/с2), в то время как второй IMU 4, у которого диапазон, измеряемый акселерометрами, составляет 0-5 g, по сравнению с IMU 3 менее чувствителен и менее точен. При перемещениях устройства 1 такая конструкция в нормальных условиях обеспечивает проведение двух полных измерений; однако, если устройство подвергается воздействию ускорений в интервале 1-5 g, первый IMU 3 окажется "вне диапазона", и будет проведено только одно измерение. Предпочтительно выполнить устройство 1 с возможностью подачи сигнала тревоги в том случае, когда один из IMU (в данном случае IMU 3) находится вне своего диапазона, т.е. не обеспечивает надежный сигнал или надежное измерение.
В предпочтительном варианте измерительное устройство содержит также беспроводное средство для коммуникации с внешним устройством, таким как показанный на фиг.6 компьютер 14. На фиг.6 представлена измерительная установка, использующая измерительное устройство по изобретению в процессе измерения размеров стационарной конструкции (в данном случае это грузовик). Грузовик имеет корпус 11 и передние и задние колеса 13, 15, причем он установлен на катках 16, 17 таким образом, чтобы во время измерений колеса могли вращаться. Кроме того, в состав установки входят базовый пункт 21 и портативный компьютер 14, снабженный радиокоммуникационным средством 18 для осуществления коммуникации с измерительным устройством 1. У базового пункта 21 имеется гнездо 20, в которое вводится измерительное устройство. Предпочтительно выполнить указанное гнездо с конфигурацией, позволяющей ввести в него измерительное устройство в определенном положении и с определенной ориентацией.
Устройство можно специально адаптировать для измерения размеров такого транспортного средства, как автомобиль, например, введя в компьютер 14 базу данных о геометрических параметрах достаточно большого количества различных моделей автомобилей. Предусмотрена возможность адаптировать компьютер надлежащим образом, позволяющим ему отображать на дисплее измеряемое транспортное средство с указанием точек замера.
Другой пример относится к измерению размеров здания. Предусмотрена возможность адаптировать компьютер для построения трехмерной модели здания, включая ее внутреннюю и наружную конструкции.
На фиг.2-5 представлены варианты осуществления измерительного устройства по фиг.1. В проиллюстрированных вариантах предусмотрена возможность использования адаптеров. Например, можно сформировать измерительный комплект, состоящий из одного измерительного устройства 1 и четырех различных подсоединяемых адаптеров, каждый из которых предназначен для конкретной цели.
Фиг.2 иллюстрирует вариант осуществления измерительного устройства 1, снабженного роликом/колесиком 5. Такой вариант пригоден для измерения поверхностей, например, для измерения кривизны узла шасси. При применении устройства 1 ролик помещают на поверхность, например на деформированный участок корпуса автомобиля, и последовательно прокатывают по этой поверхности, удерживая на ней ролик. В результате получают линию контура поверхности. Таким образом, измерительное устройство 1 с роликом 5 выполнено с возможностью непрерывного получения координат, т.е. обеспечивает высокую скорость получения данных. Ролик 5 может быть встроенным элементом измерительного устройства. В альтернативном варианте ролик 5 представляет собой часть адаптера, снабженного средством для прикрепления к устройству 1. Такой адаптер может содержать втулку или трубчатый кожух, охватывающую (охватывающий) при присоединении адаптера к измерительному устройству торцевую секцию устройства.
Фиг.3-5 иллюстрируют варианты осуществления, предназначенные для определения координат точек замера различных типов. Для этого измерительное устройство снабжено адаптерами, соответствующими указанным типам точек. Предпочтительно, чтобы каждый адаптер можно было надежным образом подсоединить к измерительному устройству. Данное устройство и адаптеры могут поставляться в виде измерительного комплекта.
Фиг.3 иллюстрирует вариант осуществления измерительного устройства 1, которое для своего центрирования на выступающих деталях типа рукоятки или оконечности оси снабжено втулкой 6. Втулка 6 имеет отверстие и узкий канал, охватывающий выступающую деталь. Предпочтительно иметь набор втулок 6 различных размеров, чтобы можно было центрировать измерительное устройство на выступах с различными размерами.
Фиг.4 иллюстрирует вариант осуществления измерительного устройства 1, использующий удлиненный стержень 7, с помощью которого можно обеспечить требуемые положения измерений в труднодоступных местах, таких как небольшие и узкие отсеки.
Фиг.5 иллюстрирует вариант осуществления измерительного устройства 1, которое для своего центрирования в круглых отверстиях снабжено конусом 8.
1. Измерительное устройство (1) для измерения размеров конструкции, имеющее корпус (2), содержащий первый и второй инерциальные измерительные блоки (3, 4), каждый из которых прикреплен к корпусу, зафиксирован на расстоянии (L) от другого инерциального измерительного блока и содержит по меньшей мере два акселерометра для восприятия ускорений (ax, ay, az) и по меньшей мере два гироскопа для восприятия вращений (ωx, ωy, ωz), при этом первый и второй инерциальные измерительные блоки (3, 4) настроены на измерения в одинаковых направлениях.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из первого и второго инерциальных измерительных блоков (3, 4) содержит три акселерометра и выполнен с возможностью воспринимать ускорения в трех перпендикулярных направлениях (х, у, z) координат.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит ролик (5), установленный с возможностью свободного вращения относительно измерительного блока и обеспечивающий сопряжение между указанным блоком и измеряемой поверхностью.
4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что корпус выполнен вытянутым по одному направлению, а ролик (5) установлен на одном из концов корпуса вдоль этого направления.
5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что два инерциальных измерительных блока (3, 4) имеют различные рабочие диапазоны.
6. Измерительный комплект, содержащий измерительное устройство, выполненное в соответствии с любым из пп.1-5, и адаптер (5-8) для обеспечения сопряжения с измеряемой конструкцией, при этом адаптер и измерительное устройство выполнены с возможностью их разъемного соединения.
7. Комплект по п.6, отличающийся тем, что адаптер имеет отверстие для центрирования на выступе.
8. Комплект по п.6, отличающийся тем, что адаптер имеет коническую форму для центрирования в отверстии.
9. Комплект по п.6, отличающийся тем, что адаптер выполнен удлиненным для приведения в контакт с точкой замера.
10. Измерительная установка, содержащая измерительное устройство (1), выполненное в соответствии с любым из пп.1-5, и базовый пункт (21) для измерительного устройства, причем базовый пункт выполнен с возможностью введения в него измерительного устройства в заданном положении для получения реперной точки для измерительного устройства.
11. Установка по п.10, отличающаяся тем, что базовый пункт выполнен с возможностью введения в него измерительного устройства в заданном положении для получения исходной ориентации для измерительного устройства.
12. Установка по п.10 или 11, отличающаяся тем, что содержит дисплейный блок, связанный, с возможностью коммуникации, с измерительным устройством.
13. Способ измерения стационарной конструкции, включающий этап перемещения измерительного устройства, выполненного в соответствии с любым из пп.1-5, относительно указанной конструкции.
14. Способ по п.13, отличающийся тем, что измерительное устройство является компонентом комплекта, выполненного в соответствии с любым из пп.6-9, при этом способ включает присоединение адаптера к измерительному устройству, а этап перемещения включает перемещение измерительного устройства вместе с присоединенным к нему адаптером.
