Способ определения собственных координат по трем визирным целям и видеограмметрическая система для его осуществления
METHOD FOR DETERMINING PROPER COORDINATES FROM THREE SURVEYING TARGETS AND VIDEOGRAMMETRIC SYSTEM FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в координатно-измерительных устройствах и системах технического зрения для определения собственных координат и ориентирования в пространстве относительно трех визирных целей, мигающих с заданными частотами, которые располагаются в горизонтальной плоскости на одинаковом расстоянии друг от друга.
Известна система [1], предназначенная для пассивного определения координат источника излучения (горизонтального угла, угла возвышения и расстояния) посредством двух идентичных инфракрасных устройств пассивного типа для панорамного наблюдения (видеокамер). Видеокамеры в данной системе располагаются на одной общей вертикальной оси, вокруг которой они могут синхронно вращаться, и на известном друг от друга расстоянии таким образом, что их оптические оси всегда находятся в одной вертикальной плоскости. При этом расстояние определяется методом триангуляции по получаемым от каждой из камер углам видимого смещения источника излучения. Недостатками этого технического решения является невозможность определения собственных координат системы по одному источнику света и необходимость применения двух видеокамер, что увеличивает габариты системы и снижает ее надежность.
Наиболее близким к заявленному способу является принятый за прототип способ обратной угловой засечки [2], который может быть реализован с помощью теодолита или тахеометра для определения его собственных координат по трем визирным целям c известными координатами. Согласно этому способу, измеряются дирекционные углы исходного направления тахеометра на визирные цели и с помощью формул тригонометрии определяются координаты тахеометра. Недостатками этого технического решения являются необходимость в предварительном определении координат каждой визирной цели и отсутствие у тахеометра способности отличать эти визирные цели друг от друга. Кроме того, для обнаружения визирных целей в тахеометре используется источник лазерного излучения, которое не безопасно для органов зрения человека.
Задачей изобретения является определение собственного положения в системе координат, образованной тремя визирными целями, без исходных данных об их координатах. При этом координаты должны определяться из любой точки пространства, в пределах прямой видимости визирных целей. Техническим результатом изобретения является автоматизация процесса определения собственных координат, а также конструкция системы, обеспечивающая более высокую скорость и безопасность работы.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе определения собственных координат по трем визирным целям используется видеограмметрическая система, состоящая из видеограмметрического устройства и трех визирных целей, расположенных в горизонтальной плоскости на равном расстоянии друг от друга, которые мигают с заданными частотами, что позволяет видеограмметрическому устройству обнаруживать и различать их, вычислять азимутальные углы этих визирных целей, и по формулам тригонометрии определять собственные координаты.
Заявленный технический результат достигается также тем, что характеризующими элементами системы для определения собственных координат, согласно изобретению, являются три визирные цели, которые мигают с разной частотой, а также видеограмметрическое устройство, состоящее из двухосевой платформы, цифровой видеокамеры, контроллера и встраиваемого компьютера.
Сущность способа и система, реализующая его, поясняются чертежами. На фиг.1 изображена сферическая система координат, образованная тремя визирными целями, фиг.2 - общий вид видеограмметрического устройства, фиг.3 - функциональная схема видеограмметрической системы, фиг.4 - принципиальная схема определения собственных координат видеограмметрического устройства: а) вид сверху; б) вид слева.
Сферическая система координат (r, θ, ϕ) с началом координат в геометрическом центре, образованном тремя визирными целями, которые расположены в горизонтальной плоскости на одинаковом расстоянии b друг от друга (фиг.1). Основными элементами системы являются видеограмметрическое устройство 1 и визирные цели 2. В состав видеограмметрического устройства (фиг.2) входят: штатив 3, трегер 4, двухосевая платформа 5, контроллер 6, встраиваемый компьютер 7, цифровая видеокамера 8, энкодеры 9, объектив 10.
Функционирование видеограмметрического устройства (фиг.3) обеспечивается за счет встраиваемого компьютера 7, который служит для обработки видеоизображения и управления устройством. С его помощью определяется частота изменения яркости объектов на видеоизображении и обнаруживаются визирные цели 2. Посредством контроллера 6 формируются управляющие сигналы для двухосевой платформы 5 и производится наведение видеокамеры 8 на визирную цель 2. Главная оптическая ось видеокамеры 12 направляется на центр визирной цели 2. В результате этого визирная цель 2 с помощью объектива 10 проецируется на плоскость изображения видеокамеры 11. При этом центр проекции визирной цели 2 совпадает с началом координат D плоскости изображения видеокамеры 11. С помощью энкодеров 9 определяется направление (ω, λ) главной оптической оси видеокамеры 12. Результаты вычисления собственных координат устройства отображаются на встраиваемом компьютере 7.
i
i
Поиск визирных целей осуществляется путем изменения направления обзора видеокамеры (ω, λ) с угловым шагом, не превышающим ее углы обзора. Каждая визирная цель V имеет свою частоту мигания ν, излучая видимый свет в заданном диапазоне длин электромагнитных волн. При попадании визирной цели в поле зрения видеокамеры определяется цвет излучаемого ей видимого света и частота мигания.
Для обнаружения визирных целей используется векторная функция разности по двум последовательным кадрам видеоизображения:
, (1)
где k - пороговый коэффициент изменения яркости визирной цели на изображении;
1
2
с, с - цвет визирной цели на двух последовательных кадрах видеоизображения.
i
i
1
2
3
При этом значения векторной функции ежесекундно обнуляются Δс=0. В течении секунды функция Δс накапливает происходящие изменения на видеоизображении. Перед обнулением функции фиксируются только те координаты пикселей на изображении, при которых накопленные значения функции совпали с частотами из заданного набора частот (ν, ν, ν). После обнаружения визирной цели осуществляется наведение видеокамеры на визирную цель и определяется ее угловое положение, задаваемое зенитным (и азимутальным (углами.
Обнаружив все три визирные цели получают циклическую последовательность  в порядке их обнаружения. Вычисляются разности между азимутальными углами каждой пары визирных целей в этой последовательности:
(2)
Затем данная последовательность упорядочивается путем нахождения индекса первого элемента, имеющего наибольшее значение разности азимутальных углов:
(3)
0
В результате получают упорядоченную последовательность , состоящую из крайней левой, центральной и крайней правой визирных целей, соответственно. Каждая из трех визирных целей имеет свое цифровое обозначение: 1, 2, 3. Они размещаются в горизонтальной плоскости по часовой стрелке в порядке возрастания цифрового обозначения. При этом каждая визирная цель имеет свою частоту мигания, по которой ее идентифицируют. Положение видеограмметрического устройства ϕ относительно визирных целей определяется образованной комбинацией цифровых обозначений визирных целей в их упорядоченной последовательности (табл.1).
Таблица 1. Соответствие положения видеограмметрического устройства комбинации цифровых обозначений визирных целей
Комбинация
213
123
132
312
321
231
ϕ<sub>0</sub>
0°
60°
120°
180°
240°
300°
Данные комбинации условно разделяются на две группы. Группа G1 содержит комбинации цифровых обозначений визирных целей: 123, 312, 231. Группа G2 содержит комбинации: 213, 132, 321.
Вычисляются углы (фиг.4, а), образованные проектирующим лучом, идущим от центральной визирной цели и проектирующими лучами, идущими от двух крайних визирных целей из выражений:
; (4)
, (5)
1
2
3
где λ, λ, λ - азимутальные углы крайней левой, центральной и крайней правой визирных целей, соответственно.
По теоремам тригонометрии вычисляется угол, образованный прямой соединяющей крайнюю левую с центральной визирной целью и проектирующим лучом, идущим от центральной визирной цели. Для группы G1 комбинаций цифровых обозначений визирных целей, применяется выражение:
(6)
Для группы G2 комбинаций, применяется выражение:
(7)
Затем вычисляется угол между прямой, соединяющей крайнюю левую визирную цель с геометрическим центром, образованным тремя визирными целями, и проектирующим лучом, идущим от крайней левой визирной цели. Для группы G1 комбинаций, применяется выражение:
(8)
Для группы G2 комбинаций, применяется выражение:
(9)
Азимутальный угол геометрического центра, образованного тремя визирными целями для группы комбинаций G1, определяется из выражения:
(10)
Азимутальный угол геометрического центра, образованного тремя визирными целями для группы комбинаций G2, определяется из выражения:
(11)
Для определения азимутального угла видеограмметрического устройства в системе координат визирных целей применяется выражение:
(12)
Затем находят длины проекций на горизонтальную плоскость отрезков, соединяющих центр плоскости изображения видеокамеры с крайней левой и центральной визирными целями из выражений:
; (13)
(14)
Длина проекции на горизонтальную плоскость отрезка, соединяющего центр плоскости изображения видеокамеры с крайней правой визирной целью, для группы комбинаций G1 определяется из выражения:
(15)
Длина проекции на горизонтальную плоскость этого отрезка для группы комбинаций G2 определяется из выражения:
(16)
Длина проекции на горизонтальную плоскость отрезка, соединяющего центр плоскости изображения видеокамеры с геометрическим центром трех визирных целей, определяется из выражения:
(17)
Чтобы определить зенитный угол видеограмметрического устройства в системе координат визирных целей используется выражение:
, (18)
1
2
3
где ω, ω, ω - зенитные углы крайней левой, центральной и крайней правой визирных целей, соответственно.
Дальность до геометрического центра трех визирных целей определяется из выражения:
(19)
В качестве примера, рассмотрим четырехугольник ABCD (фиг.4, a), образованный тремя визирными целями A, B, C и видеограмметрическим устройством в точке D. Применив теорему синусов для треугольников ABD и BCD, получают следующую систему уравнений:
(20)
Решая систему уравнений, получают выражение:
(21)
3
Из выражения (21) находят формулу для вычисления угла γ:
(22)
Затем вычисляется угол γ4:
(23)
Длину отрезка AD вычисляют из выражения:
(24)
Длину отрезка BD вычисляют из выражения:
(25)
Длину отрезка CD вычисляют из выражения:
(26)
Геометрический центр точек A, B, C расположен в точке О. Длина отрезка OD вычисляется из выражения:
(27)
Длина отрезка AO вычисляется из выражения:
(28)
Выражение (27) после подстановки выражений (24, 28) принимает следующий вид:
(29)
0
Угол ω (фиг.4, б), образованной прямой OD с вертикалью, определяется из выражения:
(30)
Дальность до геометрического центра трех расположенных в горизонтальной плоскости и равноудаленных друг от друга визирных целей определяется из выражения:
(31)
Таким способом, собственные координаты видеограмметрического устройства определяются по трем, расположенным в горизонтальной плоскости и равноудаленным друг от друга, визирным целям, мигающим с заданными частотами.
Источники информации
1. Европейский патент EP № 0379425 A1, МПК G01S 5/16, на изобретение «System for determining the position of at least one target by means of triangulation».
2. Справочник геодезиста. Книга 2 / под ред. В.Д. Большакова и Г.П. Левчука. - 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Недра, 1985. - 440 с.