УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Полезная модель относится к области геоинформационных систем (ГИС), а именно к устройствам для геодезических измерений, и может быть использована для определения положения удаленных объектов в геодезической системе координат и измерения (вычисления) их размеров.
Из уровня техники известно устройство для геодезических измерений, включающее установленные в корпусе: электронный вычислитель, связанные с вычислителем посредством интерфейсов лазерный дальномер, фотокамеру, навигационный приемник, трехкоординатный магнитометр, и сенсорный экран. При этом оптические оси камеры и лазерного дальномера согласованы между собой (см. описание мобильной ГИС «ikeGPS» http://www.ikegps.com/Portals/24626/pdf/ikePro_USLetter_Broshure_v6.pdf.
Недостатком указанного устройства является низкая точность угловых измерений, производимых в широком диапазоне углов, обусловленная ограниченной разрешающей способностью и точностью магнитометра (электронного компаса), используемого в качестве углового датчика. Один из самых совершенных на сегодня магнитометров имеет разрешение 0,1° и погрешность 1°, что не всегда является достаточным при определении углового положения.
Задачей заявленной полезной модели является создание более точного устройства для геодезических измерений.
Технический результат полезной модели заключается в повышении точности измерений.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для геодезических измерений включает корпус, снабженный механизмом его крепления к штативу, установленные в корпусе: электронный вычислитель, связанные с вычислителем посредством интерфейсов лазерный дальномер, фото(видео)камеру, навигационный приемник, трехкоординатный магнитометр, акселерометр, и средства отображения и ввода информации, при этом оптическая ось фото(видео)камеры совмещена с оптической осью лазерного дальномера, при этом устройство дополнительно содержит установленные в корпусе и связанные с вычислителем угловые датчики для определения угла поворота оптической оси лазерного дальномера в горизонтальной и вертикальной плоскостях относительно механизма крепления устройства к штативу.
Кроме того, указанный технический результат достигается в частных вариантах реализации полезной модели за счет того, что:
- в качестве упомянутых датчиков для определения угла поворота использованы магнитные энкодеры,
- в качестве средств отображения и ввода информации использован дисплей с сенсорной панелью,
- устройство дополнительно включает размещенный в корпусе и связанный с вычислителем беспроводной приемопередатчик для связи с внешними устройствами.
В отличие от аналога, в котором основным средством угловых измерений является магнитометр, в заявленном устройстве дополнительно использован акселерометр и датчики для определения угла поворота оптической оси лазерного дальномера в горизонтальной и вертикальной плоскостях относительно механизма крепления устройства к штативу, что позволяет повысить точность измерений.
Функциональная схема заявленного устройства показана на фиг. 1.
Пример осуществления измерения с помощью заявленного устройства показан на фиг. 2.
Устройство содержит корпус (1), снабженный механизмом крепления (2) к штативу. В корпусе устройства установлены: лазерный дальномер (3), фото (видео) камера (4), навигационный приемник (5), трехкоординатный магнитометр (6), акселерометр (7), датчики (8, 9) для определения угла поворота оптической системы наведения лазерного дальномера в горизонтальной и вертикальной плоскостях относительно узла крепления (2) устройства к штативу, средства отображения и ввода информации (10), беспроводной приемопередатчик (11). Указанные элементы подключены к электронному вычислителю (12) посредством унифицированных или функциональных интерфейсов.
Лазерный дальномер (ЛД) (3) служит для определения расстояния до исследуемых объектов. В заявленном устройстве может быть использован, в частности, ЛД «Bosch GLM250» обеспечивающий точность измерений ±1 мм на расстоянии 0,05-250 м.
Оптическая ось ЛД (3) совмещена с оптической осью фото (видео) камеры (4) (фотокамеры или фотовидеокамеры).
В заявленном устройстве фото(видео)камера (4) выполняет две основные задачи:
а) визира для ЛД (3). Изображение поля зрения системы наведения (5) ЛД (3) выводится на дисплей, на котором указана точка наведения. Предусмотрена возможность использования цифрового увеличения (Zoom) изображения с целью облегчения наведения на большой дальности.
б) видео-датчика. Фотограмметрическая обработка снимков позволяет получить угловые и линейные размеры объектов, находящихся в поле зрения камеры. Данный способ обработки имеет высокое разрешение, но существенные ограничения, связанные с узким углом зрения и аберрацией оптической системы. В заявленном устройстве указанный способ может быть использован в качестве дополнительной возможности.
Объектив камеры (4) вместе с дисплеем и программными средствами образуют оптическую систему наведения ЛД (3) на удаленные объекты.
Навигационный приемник (приемник спутниковой навигационной системы (ПН)) (5) обеспечивает привязку положения устройства к геодезической системе координат - базовой точке (БТ). Предпочтительно использовать многостандартный ПН, например для систем GPS и ГЛОНАС, обеспечивающий более высокую точность и надежность определения координат. В заявленном устройстве может быть использован, например, модульный ПН (5) типа «ML8088s» или «Gms-g6a», которые дают ошибку определения координат в плоскости лучше 3 м, а по высоте - 4 м.
Ориентация устройства в пространстве (по отношению к направлению на север и по вертикали) производится посредством трехосевого магнитометра (6) (электронного компаса - ЭК) и трехосевого акселерометра (7). Указанные компоненты также могут использоваться для организации инерциальной системы навигации (при пропадании сигналов навигационной системы, например в лесу) и фиксации момента измерения при ручном использовании устройства (по критерию минимального дрожания). Следует отметить, что в ближайшем аналоге магнитометр является единственным угловым датчиком, имеющим широкую шкалу измерений (0…360° по азимуту и -90…90° в вертикальной плоскости). В заявленном устройстве магнитометр (6) также используется для измерений угловых перемещений (оптической оси лазерного дальномера) в качестве дополнительной возможности при ручных измерениях (без использования штатива).
Использование в конструкции устройства акселерометра позволяет добиться следующих преимуществ по сравнению с прототипом:
- более точное (по меньшей мере на порядок по сравнению с магнетометром) определение абсолютного положения вертикали (отвеса) и как следствие точность (абсолютных) угловых измерений в вертикальной плоскости (в общем случае это позволяет улучшить и точность вычисления линейных размеров для объектов с произвольным расположением в пространстве);
- возможность реализации инерциальной системы навигации, например, под кроной деревьев, где GPS практически не работает и т.п.;
- возможность оптимального выбора момента фиксации измерений при дрожании прибора (актуально в ручном положении).
В заявленном устройстве могут быть использованы, например, интегральный магнитометр (ЭК) «LSM303DLH» с разрешением 0,1° и погрешностью ±1°, а также акселерометр «LID3DSH», шкала ±2g…±16g, разрешение 14 бит.
Основным способом угловых измерений в заявленном устройстве является контроль поворота оптической оси ЛД (3) в горизонтальной и вертикальной плоскостях по отношению к точке крепления штатива. Для этого используются два отдельных угловых датчика (8) и (9), предпочтительно магнитные энкодеры с высоким разрешением (в частности, не менее 14 бит). Например, при использовании энкодеров (8) и (9) с разрешением 14 разрядов (бит) точность угловых измерений может быть повышена до 0,022°, а разрешение линейных измерений - до 0,019 м (на расстоянии 50 м). В устройстве может быть использован магнитный энкодер в микроэлектронном исполнении типа «AS5048A», имеющий разрешение 14 или «AEAT-6600-N16» с разрешением 16 бит.
Средства отображения и ввода информации (10) могут быть выполнены в виде дисплея с сенсорной панелью.
Вычислитель (12) управляет упомянутым оборудованием, производит обработку полученных результатов измерений, сохраняет результаты измерений и обработки, взаимодействует с системой обработки верхнего уровня - полевым компьютером, предназначенным для сохранения больших объемов получаемых устройством данных и, при необходимости, их более детальной обработки (требующей больших вычислительных ресурсов), и доступа к стандартным средствам коммуникации, визуализации и т.п.
Беспроводной приемопередатчик (11) может быть использован для связи заявленного устройства с внешними устройствами, в частности полевым компьютером системы верхнего уровня.
Пример работы устройства.
Необходимо определить размеры и положение объекта (13), ограниченного точками A-B в пространстве (см. фиг. 2).
Для этого корпус (1) устройства устанавливают на штативе (14) с помощью механизма крепления (2).
Предварительно посредством навигационного приемника (5) устройство определяет координаты (GPS, ГЛОНАС) и ориентацию корпуса (1) в пространстве (направление на север, вертикаль), т.е. базовую точку (БТ).
Для осуществления измерений:
1) В режиме отключенного Zoom камеры (4) грубо наводят устройство (оптическую ось камеры) на окрестности точки A.
2) Включают электронный Zoom камеры (4) и точно наводят устройство на точку A.
3) С помощью ЛД (3) измеряют расстояние от БТ до точки A (параметр d1).
4) Повторяют п.п. 1) и 2) для точки B (параметр 62), при этом фиксируют поворот оптической оси лазерного дальномера в горизонтальной и вертикальной плоскости (параметры j, i) по сигналам от датчиков (8) и (9).
5) Информация по параметрам d1, d2, j, I передается в вычислитель (12) устройства, который по известным геометрическим соотношениям определяет длину объекта (L), а также его пространственную ориентацию относительно БТ (размеры «D» «H») с точностью до единиц сантиметров, а также угловое положение объекта - до единиц угловых минут.
6) Поскольку абсолютные координаты БТ и пространственная ориентация оптической оси устройства известны, положение объекта может быть легко пересчитано в геодезическую систему координат, безусловно, с погрешностью, определяемой точностью применяемого ПН (5) (не менее 3/4 м) и ЭК (6) (1°).
Таким образом, заявленное устройство обеспечивает повышение точности измерений по отношению к аналогам.