專利名稱：基于放樣原理的球罐容積自動(dòng)測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種球形罐容量計(jì)量方法。尤其涉及采用具有馬達(dá)驅(qū)動(dòng)功能和 無(wú)合作目標(biāo)測(cè)距功能的全站儀和便攜機(jī)聯(lián)機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)球罐內(nèi)容量計(jì)量方法。
背景技術(shù)：
球形罐是油品、化工品等液體物質(zhì)的重要儲(chǔ)存容器，由于所存儲(chǔ)對(duì)象經(jīng)濟(jì) 價(jià)值高，實(shí)現(xiàn)對(duì)其容積的精確計(jì)量，顯得尤為重要?，F(xiàn)有的球形罐容量計(jì)量方 法有圍尺法、容量比較法、光學(xué)垂準(zhǔn)線法、光學(xué)參比線法和光學(xué)三角法等測(cè)量 方法，測(cè)量效率比較低，并且是接觸式測(cè)量，勞動(dòng)強(qiáng)度大。無(wú)合作目標(biāo)測(cè)距全 站儀測(cè)量效率高、精度高，在球形罐測(cè)量中能做到較好的應(yīng)用，但是傳統(tǒng)的全 站儀測(cè)量算法要求全站儀盡可能設(shè)置在球形罐的中心(在實(shí)際測(cè)量中非常困難 做到)，并且采用迭代算法計(jì)算并測(cè)量罐體坐標(biāo)，若全站儀不在球形罐中心時(shí)， 將會(huì)導(dǎo)致全站儀測(cè)量多次來(lái)逼近測(cè)量點(diǎn)，效率低下，自動(dòng)化程度也比較低。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)傳統(tǒng)方法中的缺陷，本發(fā)明的任務(wù)是提出一種基于放樣原理的球罐容 積自動(dòng)測(cè)量方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)球形罐容積的快速測(cè)量，使整個(gè)測(cè)量過(guò)程無(wú)霈人工 千預(yù)測(cè)量，較好地解決球形罐容積測(cè)量的自動(dòng)化和容積表的自動(dòng)輸出難題。
為完成上述任務(wù)，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種基于放樣原理的球罐容 積自動(dòng)測(cè)量方法，該方法包括如下步驟
(i)在球罐內(nèi)的任意位置架設(shè)全站儀，將全站儀的中心坐標(biāo)設(shè)置為(0, 0,
0)，建立全站儀坐標(biāo)系，全站儀與一臺(tái)計(jì)算機(jī)互聯(lián)，初始化聯(lián)機(jī)參數(shù)；
(2) 利用全站儀測(cè)量不少于四個(gè)的初始點(diǎn)，采用球擬合的方法求出一個(gè)放 樣球的球心坐標(biāo)(XQ， Y。， 和半徑i ，并以放樣球球心為原點(diǎn)、坐標(biāo)軸平行 于全站儀坐標(biāo)系的三個(gè)軸建立球罐坐標(biāo)系；
(3) 在球罐坐標(biāo)系下，按照設(shè)置的水平和垂直方向的步進(jìn)間距解算出球罐 坐標(biāo)系下放樣球上的所有放樣點(diǎn)位放樣坐標(biāo)，再將球罐坐標(biāo)系下放樣點(diǎn)位放樣 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到全站儀坐標(biāo)系，在全站儀坐標(biāo)系下計(jì)算出放樣點(diǎn)位的水平角度值和 垂直角度值；
(4) 全站儀在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，按照計(jì)算的水平和垂直角度值自動(dòng)完成望遠(yuǎn) 鏡定位和對(duì)放樣點(diǎn)位的自動(dòng)測(cè)量，得到放樣點(diǎn)位在全站儀坐標(biāo)系下的實(shí)際坐標(biāo)， 然后將實(shí)際坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到球罐坐標(biāo)系下；
(5) 在球罐坐標(biāo)系下，按數(shù)據(jù)處理理論進(jìn)行粗差剔除，最后進(jìn)行球罐的最 小二乘擬合，得到球罐的最優(yōu)參數(shù)，并計(jì)算出球罐的容積。
步驟(3)中，按照設(shè)置的水平和垂直方向的步進(jìn)間距解算出球罐坐標(biāo)系 下放樣球上的所有放樣點(diǎn)位放樣坐標(biāo)后，將球罐坐標(biāo)系下所有放樣點(diǎn)位放樣坐 標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到全站儀坐標(biāo)系，在全站儀坐標(biāo)系下一次性計(jì)算出所有放樣點(diǎn)位的 水平角度值和垂直角度值。
步驟(3)中，按照設(shè)置的水平和垂直方向的步進(jìn)間距解算出球罐坐標(biāo)系 下放樣球上的所有放樣點(diǎn)位放樣坐標(biāo)后，逐點(diǎn)將球罐坐標(biāo)系下放樣點(diǎn)位放樣坐 標(biāo)轉(zhuǎn)換到全站儀坐標(biāo)系，并在全站儀坐標(biāo)系下計(jì)算出該放樣點(diǎn)位的水平角度值 和垂直角度值。
步驟(4)中，在全站儀坐標(biāo)系下計(jì)算出各放樣點(diǎn)位的水平角度值和垂直
角度值后，全站儀在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下,按照計(jì)算的水平和垂直角度值自動(dòng)完成望 遠(yuǎn)鏡定位和對(duì)各放樣點(diǎn)位的自動(dòng)測(cè)量，統(tǒng)一得到各放樣點(diǎn)位在全站儀坐標(biāo)系下 的實(shí)際坐標(biāo)，然后將實(shí)際坐標(biāo)一次性轉(zhuǎn)換到球罐坐標(biāo)系下，得到各放樣點(diǎn)位在 球罐坐標(biāo)系下的實(shí)際坐標(biāo)。
步驟(4)中，在全站儀坐標(biāo)系下計(jì)算出各放樣點(diǎn)位的水平角度值和垂直 角度值后，全站儀在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，按照計(jì)算的水平和垂直角度值自動(dòng)完成望 遠(yuǎn)鏡定位和對(duì)各放樣點(diǎn)位的自動(dòng)測(cè)量，逐點(diǎn)得到各放樣點(diǎn)位在全站儀坐標(biāo)系下 的實(shí)際坐標(biāo)，然后逐點(diǎn)將實(shí)際坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到球罐坐標(biāo)系下，得到各放樣點(diǎn)位在球 罐坐標(biāo)系下的實(shí)際坐標(biāo)。
歩驟(4)中，在全站儀坐標(biāo)系下計(jì)算出放樣點(diǎn)位的水平角度值和垂直角 度值后，全站儀在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，按照計(jì)算的水平和垂直角度值自動(dòng)完成望遠(yuǎn) 鏡定位和對(duì)放樣點(diǎn)位的自動(dòng)測(cè)量，得到放樣點(diǎn)位在全站儀坐標(biāo)系下的實(shí)際坐標(biāo)， 然后將實(shí)際坐標(biāo)直接轉(zhuǎn)換到球罐坐標(biāo)系下，得到各放樣點(diǎn)位在球罐坐標(biāo)系下的 實(shí)際坐標(biāo)。
本發(fā)明將純粹的測(cè)量問(wèn)題轉(zhuǎn)化為放樣和測(cè)量，提出了罐體坐標(biāo)系的概念， 合理地解算球罐內(nèi)表面的放樣點(diǎn)，并通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將測(cè)量和放樣聯(lián)系起來(lái)，全 部測(cè)量過(guò)程中，僅需要人工轉(zhuǎn)動(dòng)全站儀測(cè)量4個(gè)以上的初始點(diǎn)，系統(tǒng)即可完成 待測(cè)點(diǎn)解算、自動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、容積自動(dòng)計(jì)算和輸出等功能，基本實(shí) 現(xiàn)自動(dòng)化。本方法可根據(jù)測(cè)量需要，設(shè)置不同的待測(cè)點(diǎn)間隔參數(shù)，確定測(cè)量點(diǎn) 的密度并使測(cè)量點(diǎn)均勻分布，系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)時(shí)判斷粗差點(diǎn)并進(jìn)行剔除，使罐體容 積的計(jì)算更精確。此外，系統(tǒng)還支持更高精度的全站儀進(jìn)行測(cè)量以便提高精度。 由于克服了傳統(tǒng)全站儀迭代計(jì)算和逼近測(cè)量的缺點(diǎn)，采用了放樣待測(cè)點(diǎn)(放樣
點(diǎn)位)的新思路，從開(kāi)始測(cè)量到容積表的輸出一般只需15分鐘左右(測(cè)量100 個(gè)點(diǎn)為例)，而以往需要數(shù)個(gè)小時(shí)。該發(fā)明釆用了合理的放樣點(diǎn)位解算方法，使 測(cè)量點(diǎn)位均勻地分布在球形罐的內(nèi)表面，測(cè)量點(diǎn)位較好地反映了球形罐內(nèi)表面 的實(shí)際情況。該方法可以對(duì)每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量精度進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，實(shí)時(shí)的判 斷該點(diǎn)的測(cè)量精度，并將不滿足精度要求的點(diǎn)予以剔除，從而提高測(cè)量精度。 利用本發(fā)明可以均勻的采集罐體的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，減少人工干預(yù)，降低勞動(dòng)強(qiáng) 度，能大幅度提高工作效率。


圖1為油罐內(nèi)測(cè)流程圖2為球形罐內(nèi)測(cè)數(shù)據(jù)流程；
圖3為初始點(diǎn)擬合建立球罐坐標(biāo)系；
圖4為球形罐放樣點(diǎn)解算；
圖5為放樣球坐標(biāo)系下放樣參數(shù)計(jì)算;
圖6為球形罐內(nèi)測(cè)模型。
具體實(shí)施例方式
球形罐內(nèi)測(cè)時(shí)不需要搬動(dòng)全站儀，全站儀在架設(shè)一次即可完成全部測(cè)量工 作。在空間三維直角坐標(biāo)系下球的表達(dá)式為U2+Gl。)2+(z-zJ-及2。通 過(guò)測(cè)量不少于4個(gè)初始點(diǎn)可以解算出球形罐在全站儀測(cè)量坐標(biāo)系中的四個(gè)參數(shù) ",^z。，i )，以球罐的球心為原點(diǎn)，三坐標(biāo)軸分別平行于測(cè)站坐標(biāo)系的三軸建立 球形罐罐體坐標(biāo)系，按照設(shè)置的水平和垂直方向的步進(jìn)間距解算出球罐坐標(biāo)系 下的所有待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，再將待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到測(cè)站坐標(biāo)系,并計(jì)算出水平角度 值和垂直角度值。全站儀在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，按照計(jì)算的水平和垂直角度值自動(dòng)
完成望遠(yuǎn)鏡定位和對(duì)待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，得到其在測(cè)站坐標(biāo)系下的實(shí)際坐標(biāo)， 然后將實(shí)際坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到球罐坐標(biāo)系，按數(shù)據(jù)處理理論進(jìn)行粗差剔除，最后進(jìn)行 球罐的最小二乘擬合，得到球罐的最優(yōu)參數(shù)，并計(jì)算球形罐的容積。
測(cè)站儀坐標(biāo)系到罐坐標(biāo)系的關(guān)系只有平移關(guān)系，即七參數(shù)為 (x。j。，Z。,0，0，0，l)。從數(shù)據(jù)庫(kù)中取出放樣點(diǎn)坐標(biāo)/^:,，乂,z,)，到最終得到該點(diǎn)
的實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)/K《，W乂)，主要經(jīng)歷以下步驟
(1〉在球罐的任意位置架設(shè)全站儀，整平全站儀并將全站儀的中心坐標(biāo)設(shè) 置為(0， 0, 0)。
(2) 如圖3所示，利用全站儀測(cè)量不少于四個(gè)的初始點(diǎn)(Pp P2, P3， P4)， 采用球擬合的方法求出球的圓心坐標(biāo)(馬，W， a)和半徑i ,以球心為原點(diǎn)、 坐標(biāo)軸平行于全站儀坐標(biāo)系的三個(gè)軸建立球罐坐標(biāo)系；
(3) 如圖4所示，點(diǎn)位在球形罐的表面分布密度為水平斷面內(nèi)的弧長(zhǎng)間 隔為a,垂直斷面的間隔為6,球罐的半徑為i ，則從球形罐頂部算起的第/個(gè) 水平斷面的半徑i i為-
《=#-(及-''^
其中^i，2,…，c/ivr(M)，則在第/個(gè)水平斷面內(nèi)，水平弧長(zhǎng)間隔為&第j 個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的圓心角Hj (以弧度為單位)為^"."/凡，其中
_/ = U...，c/ivr(^)，則在球罐坐標(biāo)系下，第/個(gè)水平斷面內(nèi)第j個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值
,)為:
=及sin(~、 /) cos(// y) 2及
< 乂) -及sin(丁i)sin(H乂)
d/2及.、
{_ 6
由上述球坐標(biāo)系計(jì)算公式解算的放樣點(diǎn)坐標(biāo)，是屬于球罐坐標(biāo)系下的作標(biāo)值。
(4)如圖5所示，將&坐標(biāo)從罐坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到全站儀坐標(biāo)系坐標(biāo)為
則在全站儀坐標(biāo)系下，即可計(jì)算測(cè)量放樣點(diǎn)A時(shí)，全站儀的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)水平角度 位置和垂直角度位置分別為-<formula>formula see original document page 9</formula>
(5)如圖6所示，全站儀在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，將望遠(yuǎn)鏡定位在HZij和Vij的位
置，啟動(dòng)無(wú)棱鏡測(cè)量，即可得到該點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量位置<formula>formula see original document page 9</formula>
(6) 將該點(diǎn)轉(zhuǎn)換到罐坐標(biāo)系下即可得到該點(diǎn)的最終坐標(biāo)(<formula>formula see original document page 9</formula>)為
<formula>formula see original document page 9</formula>
(7) 判斷該點(diǎn)的觀測(cè)值的測(cè)量精度
在球罐坐標(biāo)系下，球心坐標(biāo)為O(O, 0， 0)，該測(cè)量點(diǎn)和球心的之間的距離"
為"<formula>formula see original document page 9</formula>
從理論上講，d應(yīng)該等于半徑i ，由于測(cè)量誤差的存在，二者之間存在誤差 4: 4-d—/ (^值可以個(gè)根據(jù)測(cè)量精度要求人為設(shè)定)。當(dāng)A大于限差規(guī)定的范 圍時(shí)，則認(rèn)為該點(diǎn)的測(cè)量誤差超限，不予存儲(chǔ)，如果該點(diǎn)測(cè)量合格，則將該點(diǎn) 存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。
(8)所有罐體點(diǎn)測(cè)量完成后，即可利用測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行球罐的最小二乘擬合， 得到擬合的球罐的最優(yōu)的參數(shù)，生成容積表。
權(quán)利要求
1、一種基于放樣原理的球罐容積自動(dòng)測(cè)量方法，其特征在于，該方法包括如下步驟(1)在球罐內(nèi)的任意位置架設(shè)全站儀，將全站儀的中心坐標(biāo)設(shè)置為(0，0，0)，建立全站儀坐標(biāo)系，全站儀與一臺(tái)計(jì)算機(jī)互聯(lián)，并初始化聯(lián)機(jī)參數(shù)；(2)利用全站儀測(cè)量不少于四個(gè)的初始點(diǎn)，采用球擬合的方法求出一個(gè)放樣球的球心坐標(biāo)(x0，y0，z0)和半徑R，并以放樣球球心為原點(diǎn)、坐標(biāo)軸平行于全站儀坐標(biāo)系的三個(gè)軸建立球罐坐標(biāo)系；(3)在球罐坐標(biāo)系下，按照設(shè)置的水平和垂直方向的步進(jìn)間距解算出球罐坐標(biāo)系下放樣球上的所有放樣點(diǎn)位放樣坐標(biāo)，再將球罐坐標(biāo)系下放樣點(diǎn)位放樣坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到全站儀坐標(biāo)系，在全站儀坐標(biāo)系下計(jì)算出放樣點(diǎn)位的水平角度值和垂直角度值；(4)全站儀在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，按照計(jì)算的水平和垂直角度值自動(dòng)完成望遠(yuǎn)鏡定位和對(duì)放樣點(diǎn)位的自動(dòng)測(cè)量，得到放樣點(diǎn)位在全站儀坐標(biāo)系下的實(shí)際坐標(biāo)，然后將實(shí)際坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到球罐坐標(biāo)系下；(5)在球罐坐標(biāo)系下，按數(shù)據(jù)處理理論進(jìn)行粗差剔除，最后進(jìn)行球罐的最小二乘擬合，得到球罐的最優(yōu)參數(shù)，并計(jì)算出球罐的容積。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于放樣原理的球罐容積自動(dòng)測(cè)量方法，其特 征在于，步驟(3)中，按照設(shè)置的水平和垂直方向的步進(jìn)間距解算出球罐坐 標(biāo)系下放樣球上的所有放樣點(diǎn)位放樣坐標(biāo)后，將球罐坐標(biāo)系下所有放樣點(diǎn)位 放樣坐標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到全站儀坐標(biāo)系，在全站儀坐標(biāo)系下一次性計(jì)算出所有放 樣點(diǎn)位的水平角度值和垂直角度值。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于放樣原理的球罐容積自動(dòng)測(cè)量方法，其特征在于，步驟(3)中，按照設(shè)置的水平和垂直方向的步進(jìn)間距解算出球罐坐 標(biāo)系下放樣球上的所有放樣點(diǎn)位放樣坐標(biāo)后，逐點(diǎn)將球罐坐標(biāo)系下放樣點(diǎn)位 放樣坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到全站^C坐標(biāo)系，并在全站儀坐標(biāo)系下計(jì)算出該放樣點(diǎn)位的水 平角度值和垂直角度值。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2或3所述的基于放樣原理的球罐容積自動(dòng)測(cè)量方法， 其特征在于，步驟(4)中，在全站儀坐標(biāo)系下計(jì)算出各放樣點(diǎn)位的水平角度 值和垂直角度值后，全站儀在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，按照計(jì)算的水平和垂直角度值 自動(dòng)完成望遠(yuǎn)鏡定位和對(duì)各放樣點(diǎn)位的自動(dòng)測(cè)量，統(tǒng)一得到各放樣點(diǎn)位在全 站儀坐標(biāo)系下的實(shí)際坐標(biāo)，然后將實(shí)際坐標(biāo)一次性轉(zhuǎn)換到球罐坐標(biāo)系下，得 到各放樣點(diǎn)位在球罐坐標(biāo)系下的實(shí)際坐標(biāo)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2或3所述的基于放樣原理的球罐容積自動(dòng)測(cè)量方法， 其特征在于，步驟(4)中，在全站儀坐標(biāo)系下計(jì)算出各放樣點(diǎn)位的水平角度 值和垂直角度值后，全站儀在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，按照計(jì)算的水平和垂直角度值 自動(dòng)完成望遠(yuǎn)鏡定位和對(duì)各放樣點(diǎn)位的自動(dòng)測(cè)量，逐點(diǎn)得到各放樣點(diǎn)位在全 站儀坐標(biāo)系下的實(shí)際坐標(biāo)，然后逐點(diǎn)將實(shí)際坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到球罐坐標(biāo)系下，得到 各放樣點(diǎn)位在球罐坐標(biāo)系下的實(shí)際坐標(biāo)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于放樣原理的球罐容積自動(dòng)測(cè)量方法，其特 征在于，步驟(4)中，在全站儀坐標(biāo)系下計(jì)算出放樣點(diǎn)位的水平角度值和垂 直角度值后，全站儀在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，按照計(jì)算的水平和垂直角度值自動(dòng)完 成望遠(yuǎn)鏡定位和對(duì)放樣點(diǎn)位的自動(dòng)測(cè)量，得到放樣點(diǎn)位在全站儀坐標(biāo)系下的 實(shí)際坐標(biāo)，然后將實(shí)際坐標(biāo)直接轉(zhuǎn)換到球罐坐標(biāo)系下，得到各放樣點(diǎn)位在球 罐坐標(biāo)系下的實(shí)際坐標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于放樣原理的球罐容積自動(dòng)測(cè)量方法，本發(fā)明將純粹的測(cè)量問(wèn)題轉(zhuǎn)化為放樣和測(cè)量，提出了罐體坐標(biāo)系的概念，合理地解算球罐內(nèi)表面的放樣點(diǎn)，并通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將測(cè)量和放樣聯(lián)系起來(lái)，全部測(cè)量過(guò)程中，僅需要人工轉(zhuǎn)動(dòng)全站儀測(cè)量4個(gè)以上的初始點(diǎn)，系統(tǒng)即可完成待測(cè)點(diǎn)解算、自動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、容積自動(dòng)計(jì)算和輸出等功能，基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。該方法可以對(duì)每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量精度進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，實(shí)時(shí)的判斷該點(diǎn)的測(cè)量精度，并將不滿足精度要求的點(diǎn)予以剔除，從而提高測(cè)量精度。利用本發(fā)明可以均勻的采集罐體的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，減少人工干預(yù)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，能大幅度提高工作效率。
文檔編號(hào)G01B11/03GK101363711SQ20071005491
公開(kāi)日2009年2月11日 申請(qǐng)日期2007年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月8日
發(fā)明者衛(wèi)建東, 張冠宇, 李宗春, 李廣云, 范百興 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍信息工程大學(xué)