УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫСОТЫ ДЕРЕВА
DEVICE FOR DETERMINING THE HEIGHT OF A TREE

Область техники
[1] Изобретение относится к области лесного хозяйства, в частности к устройствам, предназначенным для дистанционного измерения высоты деревьев и отслеживания их роста. Понятие «отслеживание роста дерева» в контексте настоящего изложения означает получение временного ряда значений высоты дерева, позволяющего судить о скорости роста дерева.
Предпосылки к созданию изобретения
[2] Наблюдение за состоянием леса, организованное на периодической основе, является чрезвычайно важным мероприятием, проводимым в целях оценки эффективности проводимых природоохранных действий, оптимизации коммерческого использования лесных угодий и т.п.
[3] Такое наблюдение может включать в себя периодический сбор и систематизацию информации о множестве параметров, характеризующих как отдельные деревья, так и лесной участок в целом, с определением тенденций изменения указанных параметров. В качестве параметров, характеризующих лесной участок в целом, могут быть использованы количество деревьев, растущих на единице площади, их видовой состав и т.п. К параметрам, характеризующим отдельные деревья, относятся высота дерева, размер кроны, толщина ствола и т.п., при этом наиболее значимым параметром с точки зрения оценки состояния дерева в динамике, является высота дерева.
[4] Следует отметить, что если определение плотности расположения деревьев на лесном участке, вида дерева или, например толщины ствола дерева, не составляет большой сложности, то определение высоты дерева является весьма серьезной проблемой. Уровень техники содержит значительное число решений, позволяющих определить высоту дерева дистанционно, т.е. без проведения трудоемкого и рискованного непосредственного измерения.
[5] В патентной публикации CN104655071A, 27.05.2015 раскрыто устройство для измерения высоты деревьев, которое включает в себя два ультразвуковых дальномера, модуль измерения угла, вычислительный блок, блок визуализации и блок памяти. Испуская ультразвуковой сигнал и принимая отраженный от целевого дерева сигнал, первый ультразвуковой дальномер по времени задержки сигнала способен определять расстояние от устройства до целевого дерева. Модуль измерения угла, в свою очередь, позволяет определить угол между прямой, пролегающей от устройства в горизонтальном направлении, и прямой, пролегающей от устройства к вершине целевого дерева. На основе этих данных вычислительный блок рассчитывает высоту участка целевого дерева, находящегося выше устройства. Второй ультразвуковой дальномер испускает ультразвуковой сигнал вертикально вниз и определяет высоту расположения устройства над грунтом, которая принимается равной высоте участка целевого дерева, находящегося ниже устройства. Суммируя высоты обоих участков, вычислительный блок получает высоту целевого дерева, которая сохраняется в блоке памяти и может быть отображена на экране блока визуализации. Данное известное устройство является прототипом изобретения.
[6] При определенных условиях известное устройство позволяет дистанционно производить определение высоты целевого дерева с приемлемой точностью, а также способно сохранять и отображать полученный результат. Однако известному устройству свойственны и существенные недостатки. Первый недостаток связан с необходимостью нахождения такого месторасположения известного устройства относительно целевого дерева, чтобы на уровне первого ультразвукового дальномера между ним и целевым деревом не было посторонних предметов. Поскольку указанное месторасположение известного устройства может быть найдено не для каждого целевого дерева, то выбор деревьев, высоту которых способно определить известное устройство, является ограниченным.
[7] Причина данного недостатка состоит в следующем. Если между первым ультразвуковым дальномером и целевым деревом будет находиться иная растительность, например кусты или другие деревья, то в ответ на испускаемый ультразвуковой сигнал данная растительность наряду с целевым деревом также станет создавать отраженный сигнал. Первый ультразвуковой дальномер не может выделить из общего отраженного сигнала тот сигнал, который был отражен именно целевым деревом, а значит, он не имеет возможности и корректно определить расстояние до целевого дерева. В результате этого определение высоты целевого дерева с помощью известного устройства будет сопровождаться значительной погрешностью, что ограничивает область использования известного устройства только теми деревьями, которые стоят на открытом пространстве, т.е. за пределами леса или по меньшей мере на границе леса.
[8] Следует отметить, что при отслеживании роста целевого дерева с использованием известного устройства, описанная выше проблема может возникнуть даже для того целевого дерева, которое изначально стояло на границе леса, и для которого первое определение его высоты было произведено корректно. Тем не менее, последующее определение высоты этого целевого дерева, проводимое, например через год, может стать для известного устройства недоступным ввиду разрастания растительности, окружающей целевое дерево и препятствующей работе первого ультразвукового дальномера.
[9] Второй недостаток известного устройства связан с тем допущением, согласно которому высота расположения известного устройства над грунтом принимается равной высоте участка целевого дерева, находящегося ниже известного устройства. Однако данное допущение не оказывает заметного влияния на результат определения высоты целевого дерева только в том случае, когда известное устройство и целевое дерево расположены на строго горизонтальном участке земли, что в реальности наблюдается редко. Если же по отношению к месторасположению известного устройства целевое дерево расположено на холме или в ложбине, то результат определения его высоты будет недостоверным.
[10] Технической проблемой, стоящей перед изобретением, является преодоление недостатков прототипа, или другими словами, предложение устройства, способного с высокой точностью измерять высоту любого дерева, которое находится в зоне действия ультразвукового дальномера, входящего в состав устройства, при условии по меньшей мере частичного нахождения данного дерева в прямой видимости от месторасположения устройства.
Сущность изобретения
[11] Для решения указанной технической проблемы в качестве изобретения предложено устройство для определения высоты дерева, содержащее средство измерения дальности, оптический прицел, средство определения вертикального угла и вычислительный блок. Средство измерения дальности включает в себя первый и второй приемопередатчики и выполнено с возможностью определения расстояния между ними. Каждый из первого и второго приемопередатчиков способен передавать сигнал другому приемопередатчику и принимать сигнал от другого приемопередатчика, при этом по меньшей мере один из указанных сигналов является ультразвуковым сигналом. Второй приемопередатчик предназначен для установки вблизи целевого дерева на заданной установочной высоте. Первый приемопередатчик жестко связан с оптическим прицелом, который способен к повороту вокруг горизонтальной оси. Средство определения вертикального угла способно определять угол поворота оптического прицела относительно горизонтали.
[12] Вычислительный блок на основе расстояния от первого приемопередатчика до второго приемопередатчика и угла поворота оптического прицела, направленного на второй приемопередатчик, способен определять расстояние от первого приемопередатчика до целевого дерева и высоту расположения первого приемопередатчика относительно второго приемопередатчика. Вычислительный блок на основе расстояния от первого приемопередатчика до целевого дерева, угла поворота оптического прицела, направленного на вершину целевого дерева, высоты расположения первого приемопередатчика относительно второго приемопередатчика и заданной установочной высоты способен определять высоту целевого дерева.
[13] Первым техническим результатом изобретения является возможность точного определения расстояния от первого приемопередатчика до целевого дерева даже в случае нахождения растительности между ними. Причинно-следственная связь между признаками изобретения и первым техническим результатом состоит в следующем. Согласно изобретению средство измерения дальности, по существу представляющее собой ультразвуковой дальномер, дополнено вторым приемопередатчиком, способным принимать первый сигнал от первого приемопередатчика и передавать ему второй сигнал, при этом по меньшей мере один из указанных сигналов является ультразвуковым сигналом. Данное решение позволяет средству измерения дальности определять расстояние не по отраженному от целевого дерева первому сигналу, а по второму сигналу, который обладает характерной особенностью, отличающей его от первого сигнала. Например, первый сигнал является ультразвуковым сигналом, а второй сигнал - радиосигналом, или наоборот. Таким образом, любые отраженные посторонней растительностью ультразвуковые сигналы не способны создать помехи, которые могут влиять на точность измерений.
[14] Второй технический результат изобретения заключается в возможности точного определения высоты целевого дерева при любом вертикальном перепаде между уровнями расположения первого приемопередатчика и целевого дерева. Следует отметить, что второй приемопередатчик всегда располагается на заданной установочной высоте относительно уровня земли на участке вблизи дерева. Аналогично, высота расположения первого приемопередатчика и связанного с ним оптического прицела над уровнем своего участка земли, как правило, одна и та же. Тем не менее, в силу рельефа местности первый и второй приемопередатчики могут иметь значительное вертикальное смещение друг относительно друга, которое при этом является различным для каждого целевого дерева. Однако предложенное устройство позволяет с высокой точностью определить высоту целевого дерева независимо от того, находится ли целевое дерево на холме или в ложбине относительно участка земли, на котором расположен первый приемопередатчик.
[15] Причинно-следственная связь между признаками изобретения и вторым техническим результатом состоит в следующем. Вычислительный блок рассчитывает высоту целевого дерева путем суммирования высоты трех его участков. Высота первого участка целевого дерева, равная установочной высоте расположения второго приемопередатчика, заранее введена в вычислительный блок. Высота второго участка целевого дерева, равная высоте расположения первого приемопередатчика относительно второго приемопередатчика, рассчитывается вычислительным блоком на основе расстояния от первого приемопередатчика до второго приемопередатчика и угла поворота оптического прицела, направленного на второй приемопередатчик. В случае, если первый приемопередатчик располагается ниже второго приемопередатчика, высота второго участка имеет отрицательную величину. Высота третьего участка целевого дерева, равная высоте расположения вершины целевого дерева относительно первого приемопередатчика, рассчитывается вычислительным блоком на основе расстояния от первого приемопередатчика до целевого дерева и угла поворота оптического прицела, направленного на вершину целевого дерева. Таким образом, вариации рельефа местности учитываются в расчете высоты целевого дерева посредством включения в данный расчет нового слагаемого, а именно высоты второго участка целевого дерева.
[16] В первом частном случае изобретения первый приемопередатчик способен одновременно испускать радиосигнал и ультразвуковой сигнал, а второй приемопередатчик после приема указанных сигналов способен испускать ответный радиосигнал, содержащий информацию о расстоянии между первым и вторым приемопередатчиками. В данном исполнении блок расчета расстояния, расположенный вместе со вторым приемопередатчиком, способен фиксировать временной интервал между моментами принятия вторым приемопередатчиком радиосигнала и ультразвукового сигнала, испущенных первым приемопередатчиком. На основе указанного временного интервала и известной скорости ультразвукового сигнала в воздухе, блок расчета расстояния рассчитывает расстояние от первого приемопередатчика до второго приемопередатчика. Далее второй приемопередатчик испускает второй радиосигнал, содержащий информацию о величине указанного расстояния. По сравнению со случаем, когда второй радиосигнал не несет информационной нагрузки, данное исполнение снижает число операций, подлежащих синхронизации, а значит повышает точность измерения дальности. Например, в данном исполнении не требуется испускания второго радиосигнала одновременно с принятием ультразвукового сигнала или через строго определенный промежуток времени после принятия ультразвукового сигнала.
[17] Во втором частном случае изобретения второй приемопередатчик закреплен на опорном стержне, длина которого при упоре опорного стержня в землю обеспечивает расположение второго приемопередатчика на заданной установочной высоте. В данном исполнении расположение второго приемопередатчика вблизи дерева на заданной установочной высоте может быть произведено достаточно просто, быстро и с высокой точностью.
[18] В третьем частном случае изобретения устройство содержит основной модуль, закрепленный на штативе, и качающийся модуль, удерживаемый основным модулем и способный к повороту относительно основного модуля вокруг горизонтальной оси. Первый приемопередатчик и оптический прицел прикреплены к качающемуся модулю. Данное компоновочное решение обеспечивает высокое удобство использования устройства, минимизацию шага поворота оптического прицела, а также исключение вибрационных и иных нагрузок, действующих на первый приемопередатчик и оптический прицел, что в совокупности повышает точность проводимых измерений.
[19] В четвертом частном случае изобретения устройство снабжено блоком географической привязки, блоком памяти и средством визуализации. Блок географической привязки при этом способен определять координаты целевого дерева, блок памяти способен сохранять результат определения высоты целевого дерева с привязкой к координатам целевого дерева, а средство визуализации способно отображать месторасположение целевого дерева и выводить данные о результате определения высоты целевого дерева.
[20] В указанном четвертом частном случае изобретения блок географической привязки может быть снабжен электронным компасом, при этом блок географической привязки может быть способен определять относительные координаты целевого дерева по отношению к месторасположению устройства, а именно истинный азимут и удаление. Данное исполнение позволяет найти целевое дерево для последующего определения его высоты при размещении первого приемопередатчика в его прежнем месторасположении.
[21] В дополнение к этому блок географической привязки может быть снабжен приемником сигналов глобальной спутниковой навигационной системы и может быть способен определять абсолютные координаты целевого дерева. В этом исполнении целевое дерево может быть найдено без размещения первого приемопередатчика в его прежнем месторасположении.
[22] В указанном четвертом частном случае изобретения устройство может быть снабжено цифровой фотокамерой, жестко соединенной с оптическим прицелом. Блок памяти при этом может быть способен сохранять цифровой снимок целевого дерева вместе с результатом определения высоты целевого дерева. Данное исполнение позволяет зафиксировать состояние целевого дерева на момент определения его высоты, а в дальнейшем визуально отслеживать развитие целевого дерева.
[23] В указанном четвертом частном случае изобретения блок памяти может быть способен сохранять данные о множестве результатов определения высоты целевого дерева, а средство визуализации может быть способно выводить эти данные. Данное исполнение позволяет отслеживать рост целевого дерева.
[24] В указанном четвертом частном случае изобретения блок памяти может быть способен сохранять данные о множестве целевых деревьев, а средство визуализации может быть способно отображать месторасположение каждого целевого дерева и выводить данные по каждому целевому дереву. Данное исполнение позволяет охарактеризовать лесной участок как на текущий момент времени, так и в динамике его развития, что обеспечивается возможностью отслеживания роста множества целевых деревьев.
[25] В указанном четвертом частном случае изобретения средство визуализации может быть выполнено в виде жидкокристаллического дисплея с сенсорной панелью. Данное исполнение позволяет использовать средство визуализации в качестве устройства ввода информации, а также позволяет обеспечивать визуализацию значительного объема данных как по месторасположению множества целевых деревьев, так и по множеству результатов определения высоты каждого целевого дерева.
Краткое описание чертежей
[26] Осуществление изобретения будет пояснено ссылками на фигуры:
Фиг. 1 - функциональная блок-схема устройства, выполненного согласно изобретению;
Фиг. 2 - трехмерное изображение основного модуля при взгляде со стороны пользователя;
Фиг. 3 - трехмерное изображение основного модуля при взгляде со стороны дерева;
Фиг. 4 - схема работы устройства в случае, когда уровень участка земли, на котором находится целевое дерево, располагается ниже уровня участка земли, на котором установлены первый приемопередатчик и связанный с ним оптический прицел;
Фиг. 5 - схема работы устройства в случае, когда уровень участка земли, на котором находится целевое дерево, располагается выше уровня участка земли, на котором установлены первый приемопередатчик и связанный с ним оптический прицел;
Фиг. 6 - пример интерфейса средства визуализации при отображении месторасположения множества целевых деревьев.
Следует отметить, что форма и размеры отдельных элементов устройства для определения высоты дерева, отображенных на фигурах, могут являться условными и могут быть показаны так, чтобы наиболее наглядно проиллюстрировать взаимное расположение элементов устройства и их причинно-следственную связь с заявленными техническими результатами.
Осуществление изобретения
[27] Осуществление изобретения будет показано на наилучших известных авторам примерах, которые не являются ограничениями в отношении объема охраняемых прав.
[28] Устройство 1 для определения высоты дерева (далее - устройство 1), функциональная блок-схема которого представлена на Фиг. 1, содержит средство 10 измерения дальности, оптический прицел 21, средство 22 определения вертикального угла, вычислительный блок 30, блок 40 географической привязки, цифровую фотокамеру 50, блок 60 памяти, средство 70 визуализации.
[29] Средство 10 измерения дальности, в свою очередь, включает в себя первый приемопередатчик 11, второй приемопередатчик 12 и блок 13 расчета расстояния, при этом блок 13 расчета расстояния способен рассчитывать расстояние от первого приемопередатчика 11 до второго приемопередатчика 12, как это будет описано ниже. Обратим внимание, что на Фиг. 1 устройство 1 показано в том своем состоянии, когда оно определяет расстояние от первого приемопередатчика 11 до второго приемопередатчика 12.
[30] В общем случае первый и второй приемопередатчики 11 и 12 выполнены с возможностью осуществлять одно из следующего:
(а) первый приемопередатчик 11 способен испускать ультразвуковой сигнал, а второй приемопередатчик 12 способен принимать этот сигнал;
(б) второй приемопередатчик 12 способен испускать ультразвуковой сигнал, а первый приемопередатчик 11 способен принимать этот сигнал;
(в) каждый из первого и второго приемопередатчиков 11 и 12 способен как испускать ультразвуковой сигнал в направлении другого приемопередатчика, так и принимать ультразвуковой сигнал, испущенный другим приемопередатчиком.
[31] В указанных случаях (а) и (б) первый и второй приемопередатчики 11 и 12 выполнены с возможностью двусторонней радиосвязи друг с другом, т.е. каждый из первого и второго приемопередатчиков 11 и 12 способен испускать радиосигнал в направлении другого приемопередатчика, и принимать радиосигнал, испущенный другим приемопередатчиком. В случае (в) радиосвязь между первым и вторым приемопередатчиками 11 и 12 не является обязательной. Описываемый в настоящем изложении наилучший пример изобретения соответствует случаю (а), в котором первый приемопередатчик 11 способен испускать, а второй приемопередатчик 12 - принимать ультразвуковой сигнал, при этом первый и второй приемопередатчики 11 и 12 способны осуществлять двустороннюю радиосвязь друг с другом.
[32] Далее, блок 40 географической привязки включает в себя электронный компас 41, приемник 42 сигналов глобальной спутниковой навигационной системы (далее - приемник 42 СНС) и блок 43 расчета координат.
[33] Конструктивно устройство 1 выполнено в виде двух отдельных узлов: базовой установки 80 (Фиг. 2 и 3) и транспондера 90. Базовая установка 80 содержит основной модуль 81 и качающийся модуль 82. Основной модуль 81 снабжен элементом 84, обеспечивающим закрепление основного модуля 81 на штативе 83 (Фиг. 4 и 5), при этом основной модуль 81 имеет возможность поворота относительно штатива 83 вокруг вертикальной оси. Качающийся модуль 82 удерживается основным модулем 81 и способен к повороту относительно основного модуля 81 вокруг горизонтальной оси при вращении рукоятки 85. Первый приемопередатчик 11 и оптический прицел 21 жестко связаны друг с другом и расположены на качающемся модуле 82, который вмещает в себя также цифровую камеру 50.
[34] Основной модуль 81 вмещает в себя средство 70 визуализации, а также не показанные на Фиг. 2 и 3 электронный компас 41, приемник 42 СНС, блок 43 расчета координат, блок 60 памяти, вычислительный блок 30. Однако размещение всех указанных элементов в основном модуле 81 не является обязательным, за исключением электронного компаса 41 и приемника 42 СНС указанные элементы могут быть полностью или частично расположены в удаленном узле, например портативном компьютере, подключаемом к основному модулю 81 через группу 86 разъемов.
[35] Транспондер 90 (Фиг. 1) выполнен в виде единого модуля и включает в себя второй приемопередатчик 12 и блок 13 расчета расстояния. Что касается блока 13 расчета расстояния, то его размещение в транспондере 90 не является обязательным, и в других исполнениях блок 13 расчета расстояния может быть размещен в базовой установке 80 или удаленном узле.
[36] Следует отметить, что в контексте настоящего изложения понятия «блок 13 расчета расстояния», «блок 43 расчета координат», «вычислительный блок 30» и т.п., отражают прежде всего описанное ниже функциональное содержание обозначаемых ими блоков, при этом техническая реализация этих блоков является очевидной для специалиста в данной области техники и может иметь различную конфигурацию. Например, каждый из указанных блоков может быть выполнен в виде отдельного физически обособленного устройства или может быть выполнен без физического обособления в составе более сложного вычислительного устройства. Одновременно с этим возможно исполнение, когда компоненты какого-либо из указанных блоков могут быть распределены по разным устройствам.
[37] Транспондер 90 предназначен для установки вблизи дерева 2, высоту которого требуется определить, и которое в настоящем изложении именуется «целевым деревом», а предпочтительно - вплотную к целевому дереву 2 (Фиг. 4 и 5). Транспондер 90 закреплен на опорном стержне 91, длина которого является такой, чтобы при упоре опорного стержня 91 в землю было обеспечено расположение второго приемопередатчика 12 на заданной установочной высоте, значение которой заранее введено в вычислительный блок 30.
[38] Базовая установка 80 должна быть размещена в таком месторасположении, чтобы оптический прицел 21 можно было навести как на установленный вблизи целевого дерева 2 транспондер 90, так и на вершину целевого дерева 2. Оптический прицел 21 может быть выполнен либо в виде подзорной трубы с перекрестием, либо в виде лазерного указателя, либо иным образом, позволяющим расположить оптический прицел 21 так, чтобы световой луч 25, проходящий вдоль продольной оси оптического прицела 21, указывал на транспондер 90, а в другом расположении оптического прицела 21 - на вершину целевого дерева 2.
[39] Средство 22 определения вертикального угла (Фиг. 1) способно определять угол поворота оптического прицела 21 относительно горизонтали и представляет собой двухосевой датчик на основе микромеханического акселерометра. В других случаях средство 22 определения вертикального угла может быть выполнено в виде потенциометра или иным известным специалисту в данной области способом. В зависимости от исполнения средство 22 определения вертикального угла может быть размещено в основном модуле 81, качающемся модуле 82 или в обоих модулях.
[40] Первый приемопередатчик 11 способен одновременно испускать первый радиосигнал 14 и ультразвуковой сигнал 15 в направлении светового луча 25 (Фиг. 1), и когда оптический прицел 21 наведен на транспондер 90, второй приемопередатчик 12 способен принять первый радиосигнал 14 и ультразвуковой сигнал 15. В контексте настоящего изложения принимается допущение, что световой луч 25, направленный оптическим прицелом 21 на транспондер 90, первый радиосигнал 14 и ультразвуковой сигнал 15 проходят вдоль одной и той же прямой, соединяющей первый приемопередатчик 11 и второй приемопередатчик 12.
[41] Блок 13 расчета расстояния способен фиксировать временной интервал между моментами принятия вторым приемопередатчиком 12 первого радиосигнала 14 и ультразвукового сигнала 15. На основе указанного временного интервала и известной скорости ультразвукового сигнала 15 в воздухе, блок 13 расчета расстояния рассчитывает расстояние от первого приемопередатчика 11 до второго приемопередатчика 12. Далее второй приемопередатчик 12 испускает второй радиосигнал 16, содержащий информацию о величине указанного расстояния. Первый приемопередатчик 11 принимает второй радиосигнал 16 и передает информацию о величине расстояния от первого приемопередатчика 11 до второго приемопередатчика 12 вычислительному блоку 30.
[42] Здесь обратим внимание, что описанная предпочтительная конфигурация не является обязательной, и второй приемопередатчик 12 в момент принятия ультразвукового сигнала 15 может испускать второй радиосигнал 16, не имеющий информационной нагрузки. В этом исполнении блок 13 расчета расстояния, размещенный уже в базовой установке 80, определяет расстояние от первого приемопередатчика 11 до второго приемопередатчика 12 по интервалу времени между осуществляемыми первым приемопередатчиком 11 испусканием ультразвукового сигнала 15 и приемом второго радиосигнала 16.
[43] Следует отметить, что в средстве 10 измерения дальности ультразвуковой сигнал 15 передается только в одном направлении, а именно - от первого приемопередатчика 11 ко второму приемопередатчику 12, при этом ответный сигнал, испускаемый вторым приемопередатчиком 12 в направлении первого приемопередатчика 11, является вторым радиосигналом 16. Благодаря этому исключается влияние помех, которые могли бы возникнуть в результате отражения ультразвукового сигнала 15 какими-либо предметами, например деревом 5 (Фиг. 4 и 5). Таким образом, средство 10 измерения дальности способно достоверно определить расстояние от первого приемопередатчика 11 до второго приемопередатчика 12 даже в случае нахождения между ними посторонней растительности.
[44] Двусторонняя радиосвязь между первым и вторым приемопередатчиками 11 и 12 предпочтительно осуществляется в диапазоне частот 850-900 МГц, а наиболее предпочтительно в диапазоне 860-870 МГц, при этом индивидуализация первого и второго радиосигналов 14 и 16, а также достоверность передаваемых данных обеспечивается методом контрольных сумм. Частота ультразвукового сигнала может составлять 20-200 КГц, а предпочтительно 30-50 КГц.
[45] Вычислительный блок 30 (Фиг. 1) на основе расстояния от первого приемопередатчика 11 до второго приемопередатчика 12 и угла поворота оптического прицела 21, направленного на транспондер 90, т.е. на второй приемопередатчик 12, способен определять расстояние от первого приемопередатчика 11 до целевого дерева 2 и высоту расположения первого приемопередатчика 11 относительно второго приемопередатчика 12 (Фиг. 4 и 5). Кроме того, вычислительный блок 30 на основе расстояния от первого приемопередатчика 11 до целевого дерева 2, угла поворота оптического прицела 21, направленного на вершину целевого дерева 2, высоты расположения первого приемопередатчика 11 относительно второго приемопередатчика 12 и заданной установочной высоты способен определять высоту целевого дерева 2. Вычислительный блок 30 производит данные расчеты на основе известных алгоритмов, которые будут подробно рассмотрены ниже при описании работы устройства 1. Обратим внимание, что сплошные стрелки на Фиг. 1 показывают направления передачи данных между вычислительным блоком 30 и другими элементами устройства 1.
[46] Далее, при наведении оптического прицела 21 на целевое дерево 2 электронный компас 41 (Фиг. 1) способен определять истинный азимут целевого дерева 2 и передавать полученное значение блоку 43 расчета координат. Соответственно, получая от вычислительного блока 30 значение расстояния между первым приемопередатчиком 11 и целевым деревом 2, блок 43 расчета координат определяет относительные координаты целевого дерева 2 по отношению к месторасположению базовой установки 80, а именно истинный азимут и удаление. Для проведения повторного определения высоты целевого дерева 2, целевое дерево 2 может быть найдено по его относительным координатам даже в случае существенного изменения лесного ландшафта, однако, при условии размещения базовой установки 80 в ее прежнем месторасположении.
[47] Тем не менее в предпочтительных случаях изобретения, к которым относится и устройство 1, блок 40 географической привязки снабжен приемником 42 СНС (Фиг. 1), с помощью которого блок 43 расчета координат способен определять абсолютные координаты месторасположения базовой установки 80 во время проведения определения высоты целевого дерева 2. На основе полученных относительных координат целевого дерева 2 по отношению к месторасположению базовой установки 80 и абсолютных координат месторасположения базовой установки 80, блок 43 расчета координат способен вычислить абсолютные координаты целевого дерева 2. Для проведения повторного определения высоты целевого дерева 2, целевое дерево 2 может быть найдено по его абсолютным координатам даже в случае размещения базовой установки 80 в ином месторасположении.
[48] Цифровая фотокамера 50 принимает световой поток 51 (Фиг. 1), исходящий от участка целевого дерева 2, на который наведен оптический прицел 21, и способна делать цифровые фотоснимки данного участка.
[49] Блок 60 памяти (Фиг. 1) способен сохранять результат определения высоты целевого дерева 2, а вместе с ним и цифровые фотоснимки участков целевого дерева 2, с привязкой к относительным или абсолютным координатам целевого дерева 2. Более того, блок памяти 60 способен сохранять множество результатов определения высоты целевого дерева 2 и множество цифровых фотоснимков, которые получены через длительные периоды времени. Такие данные позволяют специалисту судить о скорости роста дерева и делать заключения об изменении состояния дерева на основе визуальных наблюдений. Не ограничиваясь этим, блок 60 памяти способен сохранять указанные данные о множестве целевых деревьев 2.
[50] Средство 70 визуализации (Фиг. 1-3) выполнено в виде жидкокристаллического дисплея с сенсорной панелью, благодаря чему оно способно отображать месторасположение одного или множества целевых деревьев 2 и базовой установки 80. Кроме того, средство 70 визуализации способно выводить на дисплей данные о результатах определения высоты каждого целевого дерева 2 и показывать его цифровые фотоснимки. Сенсорная панель позволяет вводить в вычислительный блок 30 исходные данные, например заданную установочную высоту, и выполнять иное управление устройством 1.
[51] Пример интерфейса средства 70 визуализации при отображении месторасположения множества целевых деревьев 2 и базовой установки 80 представлен на Фиг. 6. При нажатии на кружок, соответствующий какому-либо целевому дереву 2, отображаются данные по этому целевому дереву 2. Номера в кружках являются элементами представленного интерфейса, и не являются позициями согласно настоящему изложению.
[52] Устройство 1 работает следующим образом.
Порядок работы устройства 1 при определении высоты целевого дерева 2, а также достигаемые при использовании устройства 1 технические результаты будут показаны со ссылками на Фиг. 4 и 5. На Фиг. 4 и 5 представлены схемы работы устройства 1 при определении высоты целевого дерева 2 в случаях, когда уровень участка земли, на котором находится целевое дерево 2, располагается соответственно ниже или выше уровня участка земли, на котором установлена базовая установка 80.
[53] Транспондер 90, закрепленный на опорном стержне 91, устанавливают вплотную к целевому дереву 2 с упором опорного стержня 91 в землю. Длина опорного стержня 91 является такой, что второй приемопередатчик 12 располагается на заданной установочной высоте (точка B) над уровнем земли в месте упора опорного стержня 91 (точка A). Значение заданной установочной высоты, т.е. длину отрезка AB, вводят в вычислительный блок 30 через сенсорную панель средства 70 визуализации.
[54] Базовую установку 80, закрепленную на штативе 83, располагают так, чтобы транспондер 90 и вершина целевого дерева 2 находились в прямой видимости в оптический прицел 21, при этом особенности рельефа, а также дерево 5, находящееся между базовой установкой 80 и целевым деревом 2, не являются препятствиями для работы устройства 1. Если же вследствие крутизны рельефа транспондер 90 оказывается скрыт и не виден в оптический прицел 21 с месторасположения базовой установки 80, то заданная установочная высота может быть увеличена путем удлинения опорного стержня 91.
[55] Определение высоты целевого дерева 2 осуществляют в два этапа. На первом этапе определяют расстояние от первого приемопередатчика 11 до целевого дерева 2, при этом под указанным расстоянием понимается длина горизонтального отрезка OC, соединяющего первый приемопередатчик 11 (точка O) и целевое дерево 2 (точка C). Кроме этого, на первом этапе определяют высоту расположения первого приемопередатчика 11 относительно второго приемопередатчика 12, т.е. длину отрезка BC.
[56] Для выполнения первого этапа оптический прицел 21 наводят на транспондер 90 и при помощи средства 22 определения вертикального угла определяют угол α поворота оптического прицела 21 относительно горизонтали, как это было описано выше.
[57] Далее при помощи средства 10 измерения дальности определяют расстояние между первым приемопередатчиком 11 и вторым приемопередатчиком 12, т.е. длину отрезка OB, как это было описано выше. Обратим внимание, что дерево 5, даже рассеивая в разные стороны часть ультразвукового сигнала 15, не создает помехи для определения расстояния между первым приемопередатчиком 11 и вторым приемопередатчиком 12, поскольку отраженные ультразвуковые сигналы распространяются в ином направлении по отношению к направлению распространения ультразвукового сигнала 15. Кроме того, ультразвуковой сигнал 15, распространяясь по прямой, в любом случае достигает второго приемопередатчика 12 быстрее каких-либо отраженных ультразвуковых сигналов.
[58] В дальнейших вычислениях принимают следующие допущения: время прохождения первого радиосигнала 14 от первого приемопередатчика 11 до второго приемопередатчика 12 равно нулю, оптический прицел 21 и первый приемопередатчик 11 располагаются в одной точке О, второй приемопередатчик 12 и транспондер 90 по существу совпадают друг с другом и располагаются в точке B, а толщина транспондера 90 является пренебрежимо малой. Кроме того, на Фиг. 4 и 5 оптический прицел 21 показан в горизонтальном состоянии, что является схематичным изображением. Реальное положение оптического прицела 21 для случаев, показанных на Фиг. 4 и 5, соответствует наклону отрезка OB к горизонтали.
[59] Итак, в результате осуществленных измерений в прямоугольном треугольнике OCB определены угол α и гипотенуза OB, что дает возможность вычислить длину отрезка OC=OB*cosα, равную расстоянию от первого приемопередатчика 11 до целевого дерева 2, и длину отрезка BC=OB*sinα, равную высоте расположения первого приемопередатчика 11 относительно второго приемопередатчика 12.
[60] На втором этапе определяют высоту расположения вершины целевого дерева 2 (точка D) относительно уровня первого приемопередатчика 11, т.е. длину отрезка CD, и далее высоту целевого дерева 2 как длину отрезка AD.
[61] Для выполнения второго этапа оптический прицел 21 наводят на вершину целевого дерева 2 и при помощи средства 22 определения вертикального угла определяют угол β. В прямоугольном треугольнике OCD известны длина катета OC, которая была определена на первом этапе, и угол β. Соответственно, длина отрезка CD может быть определена как CD=OC*tgβ. Таким образом, в результате действий, произведенных на первом и втором этапах, а также с учетом исходных данных, были определены длины отрезков AB, BC и CD.
[62] Формула для расчета высоты целевого дерева 2, т.е. отрезка AD, определяется исходя из направления поворота оптического прицела 21 при его наведении на транспондер 90. Если оптический прицел 21 повернут в сторону земли, или другими словами, если отсчет угла α от горизонтали ведется вниз, что соответствует случаю, показанному на Фиг. 4, то высота целевого дерева 2 вычисляется по формуле (1): AD=AB+BC+CD. В этом случае первый приемопередатчик 11 расположен над вторым приемопередатчиком 12, поэтому высота расположения первого приемопередатчика 11 относительно второго приемопередатчика 12, выраженная отрезком BC, имеет положительное значение. Справедливость формулы (1) графически проиллюстрирована в правой части Фиг. 4.
[63] Если оптический прицел 21 повернут в сторону неба, или другими словами, если отсчет угла α от горизонтали ведется вверх, что соответствует случаю, показанному на Фиг. 5, то высота целевого дерева 2 вычисляется по формуле (2): AD=AB-BC+CD. В этом случае первый приемопередатчик 11 расположен под вторым приемопередатчиком 12, поэтому высота расположения первого приемопередатчика 11 относительно второго приемопередатчика 12, выраженная отрезком BC, имеет отрицательное значение. Справедливость формулы (2) графически проиллюстрирована в правой части Фиг. 5. Если же прицел 21 расположен строго горизонтально, то длина отрезка BC равна нулю, а высота целевого дерева 2 вычисляется по формуле (3): AD=AB+CD.
[64] Таким образом, устройство 1 способно точно определить высоту целевого дерева 2 даже в случае значительного вертикального перепада между уровнями земли на участках расположения первого приемопередатчика 11 и целевого дерева 2, что является существенным преимуществом устройства 1 перед прототипом изобретения.
[65] Следует отметить, что в объем изобретения также входит и упомянутый выше случай (б), когда ультразвуковой сигнал испускается вторым приемопередатчиком 12 по факту приема им первого радиосигнала 14. В этом случае второй приемопередатчик 12 может испускать ультразвуковой сигнал одновременно со вторым радиосигналом 16 или без него. Алгоритм расчета расстояния между первым и вторым приемопередатчиками 11 и 12, а также достигаемые технические результаты аналогичны описанным выше.
[66] Кроме того, в объем изобретения также входит и упомянутый выше случай (в), когда каждый из первого и второго приемопередатчиков 11 и 12 способен как испускать ультразвуковой сигнал в направлении другого приемопередатчика, так и принимать ультразвуковой сигнал, испущенный другим приемопередатчиком, при этом радиосвязь между первым и вторым приемопередатчиками 11 и 12 не предусмотрена. В этом случае второй приемопередатчик 12 после принятия ультразвукового сигнала 15 испускает ответный ультразвуковой сигнал (не показан), который в свою очередь, принимается первым приемопередатчиком 11. Блок 13 расчета расстояния способен фиксировать временной интервал между моментом испускания первым приемопередатчиком 11 ультразвукового сигнала 15 и принятия им ответного ультразвукового сигнала. На основе указанного временного интервала и известной скорости ультразвуковых сигналов блок 13 расчета расстояния рассчитывает расстояние от первого приемопередатчика 11 до второго приемопередатчика 12.
[67] Важным обстоятельством здесь является то, что ответный ультразвуковой сигнал имеет характерную особенность, благодаря которой первый приемопередатчик 11 способен отличить его от ультразвуковых сигналов, поступающих на первый приемопередатчик 11 в результате отражения ультразвукового сигнала 15 какими-либо предметами, например деревом 5 (Фиг. 4 и 5). Характерная особенность ответного ультразвукового сигнала может заключаться, например, в его индивидуальной частоте, или расчетной задержке его испускания. Таким образом, и в этом исполнении средство 10 измерения дальности способно достоверно определить расстояние от первого приемопередатчика 11 до второго приемопередатчика 12 при нахождении между ними посторонней растительности.