DE10305993A1

DE10305993A1 - Vermessungsverfahren, insbesondere zur Flug- und Fahrzeugführung

Info

Publication number: DE10305993A1
Application number: DE2003105993
Authority: DE
Inventors: Hans-Ullrich Dr.-Ing. Döhler; Bernd Dr.-Ing. Korn
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2023-02-13
Also published as: DE10305993B4

Abstract

Ein Vermessungsverfahren, insbesondere zur Flug- und Fahrzeugführung einer Kamera (K) in Bezug auf eine Ebene mit mindestens einer ungefähr in Kamerablickrichtung verlaufenden Begrenzungslinie (2a, 2b), mit den Schritten: DOLLAR A a) Aufnehmen einer Abbildung der Ebene mit mindestens einer Begrenzungslinie (2a, 2b) mit der Kamera (K); DOLLAR A b) Detektieren der mindestens einen Begrenzungslinie (2a, 2b) im Bild; DOLLAR A hat die weiteren Schritte: DOLLAR A c) Bestimmen der Begrenzungslinien-Winkel (delta, delta¶1¶, delta¶2¶) zwischen der mindestens einen Begrenzungslinie (2a, 2b) und dem Lot auf einer Horizontallinie (L) innerhalb der abgebildeten Ebene, die eine Begrenzungslinie (2a, 2b) senkrecht durchstößt; DOLLAR A d) Ermitteln des Abstands (D) der Kamera (K) relativ zu einer Begrenzungslinie (2a, 2b) oder der Breite (W) zwischen den parallelen Begrenzungslinien (2a, 2b) in Abhängigkeit von der bekannten Höhe (H) der Kamera (K) von der abgebildeten Ebene und den Begrenzungslinien-Winkeln (delta, delta¶1¶, delta¶2¶) oder der Höhe (H) der Kamera (K) von der abgebildeten Ebene in Abhängigkeit von der bekannten Breite (W) zwischen den parallelen Begrenzungslinien (2a, 2b) und den Begrenzungslinien-Winkeln (delta, delta¶1¶, delta¶2¶) aus der Beziehung DOLLAR F1 oder DOLLAR F2

Description

Die Erfindung betrifft ein Vermessungsverfahren, insbesondere zur Flug- und Fahrzeugführung mit einer Kamera in Bezug auf eine Ebene mit mindestens einer ungefähr in Kamerablickrichtung verlaufenden Begrenzungslinie mit den Schritten:

a) Aufnehmen einer Abbildung der Ebene mit mindestens einer Begrenzungslinie mit der Kamera;
b) Detektieren der mindestens einen Begrenzungslinie im Bild.

In dem US-Patent 6,157,876 ist eine Landeanflughilfe für Flugzeuge mit einem Bildsensor an einem Flugzeug beschrieben. Die aufgenommenen Bilder der Landebahn werden so ausgewertet, dass Makierungspunkte auf der Landebahn gesucht und miteinander korreliert werden. Damit ist die Position der Landebahn im Bild bekannt. Auf der Basis von weiterhin bekannten Navigationsdaten wird dann die laterale und vertikale Position des Flugzeugs relativ zur Landebahn berechnet. Hierzu ist ein präzise kalibrierter Bildsensor erforderlich. Zudem müssen die Navigationsdaten bekannt sein.
Auch in Bernd Korn: "Automatische Radarbildanalyse zur bordautonomen Flugzeugführung", Dissertation Technische Universität Braunschweig, DLR-Forschungsbericht 2002-09, ist ein automatisches Landesystem beschrieben, das nicht mit einer perspektivisch abbildenden Kamera, sondern mit einem Radarsystem arbeitet. Auch hierbei ist eine präzise Kalibrierung des verwendeten Sensors erforderlich. Zudem ist die Kenntnis der ungefähren Breite und Orientierung des Landebahnstreifens notwendig, um die relative Lage eines Flugzeugs zur Landebahn bestimmen zu können.
In der DE 195 21 600 A1 ist eine Landeverfahren für Luftfahrzeuge beschrieben, bei dem ebenfalls an dem Flugzeug ein bildauflösender Sensor angebracht ist. Das Verfahren setzt eine Markierung des Landefeldes mit Marken voraus, die in den von dem bildauflösenden Sensor aufgenommenen Bildern automatisch erkannt werden. Aus dem bekannten Abstand der Marken zueinander werden dann Anflugdaten berechnet. Dies sind insbesondere die Höhe des Flugzeugs über Grund, der horizontale Abstand des Flugzeugs von einer Lande-T-Marke sowie der Elevationswinkel. Nachteilig an dem Verfahren ist, dass eine vollständige Modellierung der Landebahnmerkmale erforderlich ist, das heißt die genaue relative dreidimensionale Position der Marken.
Das Problem der herkömmlichen Vermessungsverfahren, die insbesondere als Landeanflughilfe eingesetzt werden, besteht somit darin, dass genaue Daten über den Ort von mindestens drei im Bild identifizierbaren Referenzpunkten relativ zur Landebahn bekannt sein müssen oder mehr als eine Kamera notwendig ist (Stereo-Verfahrenl. Zudem ist eine vorherige präzise Kalibrierung der verwendeten Kameras erforderlich, bei der die sogenannte innere und äußere Orientierung der Kamera, ihre Brennweite sowie weitere Abbildungsparameter genau ermittelt werden müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Vermessungsverfahren mit einer Kamera zu schaffen, das lediglich die Abbildung mindestens einer Begrenzungslinie auswertet.
Die Aufgabe wird mit dem gattungsgemäßen Vermessungsverfahren erfindungsgemäß gelöst durch die Schritte:

– Bestimmen der Begrenzungslinien-Winkel zwischen der mindestens einen Begrenzungslinie und dem Lot auf eine Horizontallinie (L) innerhalb der abgebildeten Ebene, die eine Begrenzungslinie senkrecht durchstößt;
– Ermitteln des Stands (D) der Kamera (K) relativ zu einer Begrenzungslinie (2a, 2b) oder der Breite (W) zwischen den parallelen Begrenzungslinien (2a, 2b) in Abhängigkeit von der bekannten Höhe (H) der Kamera (K) von der abgebildeten Ebene und den Begrenzungslinien-Winkeln (δ, δ₁, δ₂) oder der Höhe (H) der Kamera (K) von der abgebildeten Ebene in Abhängigkeit von der bekannten Breite (W) zwischen den parallelen Begrenzungslinien (2a, 2b) und den Begrenzungslinien-Winkeln (δ, δ₁ δ₂) aus der Beziehung

Erfindungsgemäß wird der Fluchtpunkt der Begrenzungslinien ausgenutzt, um die Breite einer durch parallele Begrenzungslinien definierten Bahn oder die Höhe der Kamera oberhalb der Ebene der Bahn zu berechnen. Es wurde nämlich erkannt, dass sich das Verhältnis von Breite W zu Höhe H näherungsweise durch die Summe tan δ₁ + tan δ₂ ausdrücken lässt.
Dies gilt insbesondere unter der Annahme, dass die Kamera relativ flach auf die Ebene der Bahn blickt. Für einen Nickwinkel α zwischen der optischen Achse der Kamera und der Ebene der Bahn mit α < 10 Grad ergibt sich ein Fehler von weniger als 1,5 %.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass zur Bestimmung der Breite W der Bahn lediglich die Höhe H bekannt sein muss. Entsprechend ist zur Bestimmung der Höhe lediglich Kenntnis der Breite W der Bahn erforderlich. Weitere geometrische Daten der Bahn, insbesondere Eckpunkte, die Orientierung sowie Länge sind nicht erforderlich. Zudem ist keine Kalibrierung der verwendeten Kamera notwendig. Ausreichend ist, wenn die grobe Ausrichtung der Kamera mit der Längsachse beispielsweise eines Flugzeugs oder Fahrzeugs übereinstimmt.
Vorteilhafterweise kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zudem die laterale Ablage A der Kamera von der Mittellinie einer durch parallele Begrenzungslinien definierten Bahn nach der Gleichung
ermittelt werden. Durch den Bezug entweder auf die rechte oder linke Begrenzungslinie ist neben dem Betrag der Ablage auch die Ausrichtung der Ablage A von der Mittellinie bekannt. Unter Kenntnis lediglich der Breite W und der Höhe H sowie der unter Zuhilfenahme des Fluchtpunkts bestimmten Begrenzungslinien-Winkel δ₁, δ₂ kann somit auf einfache Weise aus dem aufgenommenen perspektivischen Bild die seitliche Ablage eines Fahrzeugs zur Mittellinie der Bahn berechnet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, dass sich der Begrenzungslinien-Winkel relativ zum vertikalen Bildrand bestimmen lässt. Dabei wird der Rollwinkel ρ als Korrekturfaktor eingesetzt. Hierzu erfolgt vorzugsweise ein Messen des Rollwinkels ρ der Kamera, der die Verdrehung der Kamera um ihre optische Achse festlegt. Der Rollwinkel ρ lässt sich durch Messung einer Horizontallinie relativ zum horizontalen Bildrand ermitteln.
Damit ist es auf einfache Weise lediglich durch Ermitteln einer Begrenzungslinie aus einem während des Landeanflugs aufgenommenen Bildes möglich, unter Kenntnis des Rollwinkels beispielsweise aus anderen Navigationsgeräten des Flugzeuges, die laterale Ablage des Flugzeugs, die Breite der Landebahn und/oder die Höhe des Flugzeugs zu berechnen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise zur Ermittlung der Position eines Flugzeugs relativ zu einer Landebahn beim Landeanflug eingesetzt werden. Es kann aber auch vorteilhaft zur Ermittlung der Breite einer Fahrbahn und/oder der seitlichen Ablage eines Fahrzeugs von der Mittellinie einer durch parallele Begrenzungslinien definierten Fahrbahn mit einer an einem sich auf der Fahrbahn bewegenden Fahrzeug angeordneten Kamera eingesetzt werden. So kann das Verfahren als Hilfsmittel bei der automatischen Führung von Kraftfahrzeugen auf Straßen eingesetzt werden. Dabei kann die Höhe H der Kamera über der Fahrbahnebene als bekannt vorausgesetzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 Perspektivische Abbildung einer Landebahn in der Bildebene;
2 Skizze der geometrischen Verhältnisse für die perspektivische Abbildung der Landebahn in der Seitenansicht;
3 Skizze der geometrischen Verhältnisse der perspektivischen Abbildung der Landebahn auf der Bildebene in der Draufsicht;
4 Perspektivische Abbildung der Landebahn in der Bildebene;
5 Perspektivische Ansicht der Abbildung der Landebahn aus 1 in die Bildebene bei einem Rollwinkel der Kamera zur Landebahn und einer seitlichen Ablage der Kamera von der Mittelachse der Landebahn;
6 Perspektivische Ansicht der Abbildung der Landebahn in die Bildebene nach Kompensation des Rollwinkels;
7 Blockdiagramm einer Einrichtung zur Vermessung der Höhe und Ablage eines Flugzeugs zu einer Landebahn.
Die 1 lässt eine perspektivische Ansicht der Abbildung einer Landebahn 1 mit zwei Begrenzungslinien 2a, 2b auf der Bildebene B einer Kamera K erkennen, die zum Beispiel an einem Flugzeug angebracht ist. Die parallelen seitlichen Begrenzungslinien 2a und 2b sowie die quer hierzu verlaufende Anfangs- und Endbegrenzung der Landebahn 1 werden als Trapez in der Bildebene B abgebildet.
Die rechten und linken Begrenzungslinien 2a und 2b schneiden sich in einem Fluchtpunkt I auf der Horizontlinie L.
Ein beliebiger Punkt P auf einer Begrenzungslinie 2a hat im Bild einen horizontalen Abstand d vom Fluchtpunkt I. Dieser Abstand d entspricht einem tatsächlichen Abstand D des Punktes P von der Mittellinie M. Der vertikale Abstand des Punktes P im Bild zum Fluchtpunkt I beträgt h. Bei einem Begrenzungslinien-Winkel δ ergibt sich hieraus das Verhältnis
Die 2 lässt die geometrischen Verhältnisse für die perspektivische Abbildung aus der 1 in der Seitenansicht erkennen. Die Kamera mit einer Objektiv-Brennweite f befindet sich im Projektionszentrum C in einer Höhe H oberhalb der Ebene der Landebahn 1. Ein beliebiger Punkt P auf einer der Begrenzungslinien der Landebahn 1 hat eine horizontale Entfernung E von der Kamera und wird in der Bildebene auf den Punkt P' abgebildet. Von der Projektionsachse 3 der Kamera ergibt sich dann ein Winkel β zu der Projektionsachse des Projektionszentrums C zu dem Punkt P sowie ein Winkel α von der Projektionsachse 3 zu der Linie zwischen dem Projektionszentrum C und dem Fluchtpunkt I.
Aus den in der Figur dargestellten geometrischen Verhältnissen lässt sich folgende Beziehung ableiten:
Der Winkel α entspricht dem Nickwinkel α der Kamera.
Weiterhin ergibt sich die Beziehung h = f(tanα + tanβ).
Die 3 lässt die geometrischen Verhältnisse für die perspektivische Abbildung aus den 1 und 2 in der Draufsicht erkennen. Hierbei ergibt sich die Beziehung
Aus der 2 folgt
Damit ergibt sich für g aus der Seitenansicht
Damit ergibt sich folgende Beziehung:
Für das Verhältnis d/h gilt dann die folgende Gleichung, wobei sich die Brennweite f der Kamera herauskürzt:
Es ergibt sich durch Umformung:
Für kleine Nickwinkel α lässt sich dann die Gleichung
ableiten, so dass dann der einfache Zusammenhang
gilt und sich die Bestimmungsgleichung
ergibt.
Wenn sich, wie in der 4 sowie in den 1 bis 3 gezeigt ist, die Kamera genau oberhalb der Mittellinie M der Landebahn 1 befindet, ist die Breite W der Landebahn 1 gleich dem Abstand 2d. Der Begrenzungslinien-Winkel δ kann zudem einfach verdoppelt werden, um dem Schnittwinkel zwischen der linken und rechten Begrenzungslinie im Fluchtpunkt I zu entsprechen.
Hieraus ergibt sich
Die 5 lässt eine Abbildung der Landebahn 1 in die Bildebene B im allgemeinen Fall erkennen, bei dem die Abbildung durch einen Rollwinkel ρ der Kamera sowie durch eine seitliche Ablage A der Kamera von der Mittellinie M der Landebahn 1 beeinflusst ist. Der Rollwinkel ρ dreht im Bild jede horizontale Struktur der Landebahnebene um den Fluchtpunkt I mit dem Winkel ρ. Der Rollwinkel ρ lässt sich somit unmittelbar aus dem Bild auf bekannte Weise bestimmen. Gegebenenfalls kann der Rollwinkel ρ auch unabhängig beispielsweise durch ein bordeigenes Navigationssystem gemessen werden.
Die 6 lässt die Abbildung der Landebahn 1 in die Bildebene B aus der 5 erkennen, wobei die Drehung des Bildes durch den Rollwinkel ρ kompensiert ist. Hieraus ergibt sich
Für die Breite W der Landebahn 1 gilt W = d₁ + d₂ . Damit ergibt sich die Höhe H der Kamera über der Landebahnebene zu
Für die seitliche Ablage A der Kamera von der Mittellinie M der Landebahn 1 folgt dann
Die Anforderung an die Unsicherheit des Nickwinkels α hängt von dem bedarfsweise zulässigen Fehler ab.
Es hat sich gezeigt, dass für einen typischen Landeanflug eines Flugzeuges mit einem Gleitpfad von 3 % der sich bei einem nicht berücksichtigten Nickwinkel α zwischen der optischen Achse der Kamera und der Ebene der Landebahn 1 von 10 Grad unabhängig von der Höhe H und der Entfernung E des Flugzeugs zur Landebahn in der Größenordnung von etwa 1,5 % liegt. Zulässig ist bei herkömmlichen Instrumentenlandesystemen für die Gleitpfadmessung ein maximaler Fehler von 3 %. Das Verfahren ist somit als Landeanflughilfe geeignet, ohne dass eine aufwendige Kalibrierung der Kamera, insbesondere eine Einstellung des Nickwinkels α, erforderlich ist. Zudem brauchen weitere Daten über die Kamera, wie beispielsweise die Brennweite, nicht bekannt zu sein.
Wenn die Kamera beispielsweise in einem Landfahrzeug eingebaut ist, das sich auf einer mit einer rechten und linken Begrenzungslinie 2a, 2b begrenzten Fahrbahn bewegt, kann durch die oben genannten Beziehungen allein aus der Messung des Begrenzungslinien-Winkels δ der Abbildung einer Begrenzungslinie zu einer Mittellinie M der horizontale Abstand D der Kamera zu der jeweiligen Begrenzungslinie ermittelt werden. Dieser Abstand D ergibt sich zu D = H tanδ,wie sich unmittelbar aus der 1 erschließt. Bei diesem Anwendungsfall ist die Höhe H der Kamera von der Fahrbahnebene konstant und wird als bekannt vorausgesetzt.
Die 7 zeigt ein Blockdiagramm einer Einrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Vermessungsverfahrens, das auf der automatischen Auswertung digitaler Bilder beruht, die mit einer Kamera K aufgenommen werden. Die mit der Kamera K in einem Schritt a) aufgenommene Abbildung der Bahn wird in einem Schritt b) mit hinreichend bekannten Bildverarbeitungs- und Geradenextraktionsverfahren ausgewertet. Hierbei werden die Begrenzungslinien 2a und 2b der Bahn aus der Abbildung detektiert und die Begrenzungslinien-Winkel δ₁, δ₂ zwischen den Begrenzungslinien und der Mittellinie M bestimmt.
Bei bekannter Breite W der Bahn wird in einem Schritt d) die Höhe H der Kamera K von der Ebene der Landebahn 1 in Abhängigkeit von der bekannten Breite W der Landebahn 1 und den Begrenzungslinien-Winkeln δ₁, δ₂ aus der Beziehung
bestimmt. Zudem wird die seitliche Ablage A der Kamera K von der Mittelachse M der Landebahn 1 nach der Gleichung
berechnet.
Das Ergebnis wird dann in einem Anzeigesystem 4 dem Piloten angezeigt und/oder an ein Flugführungssystem 5 übergeben.
Das erfindungsgemäße Vermessungsverfahren ist insbesondere für die Luftfahrt, aber auch für die Führung von Landfahrzeugen, für die Schifffahrt, sowie für autonom navigierende mobile Roboter einsetzbar.

Claims

Vermessungsverfahren, insbesondere zur Flug- und Fahrzeugführung, mit einer Kamera (K) in Bezug auf eine Ebene mit mindestens einer ungefähr in Kamerablickrichtung verlaufenden Begrenzungslinie (2a, 2b) mit den Schritten: a) Aufnehmen einer Abbildung der Ebene mit mindestens einer Begrenzungslinie (2a, 2b) mit der Kamera (K); b) Detektieren der mindestens einen Begrenzungslinie (2a, 2b) im Bild; gekennzeichnet durch c) Bestimmen der Begrenzungslinien-Winkel (δ, δ₁, δ₂) zwischen der mindestens einen Begrenzungslinie (2a, 2b) und dem Lot auf eine Horizontallinie (L) innerhalb der abgebildeten Ebene, die eine Begrenzungslinie (2a, 2b) senkrecht durchstößt; d) Ermitteln des Abstands (D) der Kamera (K) relativ zu einer Begrenzungslinie (2a, 2b) oder der Breite (W) zwischen den parallelen Begrenzungslinien (2a, 2b) in Abhängigkeit von der bekannten Höhe (H) der Kamera (K) von der abgebildeten Ebene und den Begrenzungslinien-Winkeln (δ, δ₁, δ₂) oder der Höhe (H) der Kamera (K) von der abgebildeten Ebene in Abhängigkeit von der bekannten Breite (W) zwischen den parallelen Begrenzungslinien (2a, 2b) und den Begrenzungslinien-Winkeln (δ, δ₁, δ₂) aus der Beziehung
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Ermitteln der lateralen Ablage (A) der Kamera (K) von der Mittellinie (M) einer durch parallele Begrenzungslinien (2a, 2b) definierten Bahn nach der Gleichung
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Ermittlung der Höhe (H) und/oder der lateralen Ablage (A) eines Flugzeugs relativ zu einer Landebahn (1) beim Landeanflug.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ermitteln der Begrenzungslinien-Winkel (δ, δ₁, δ₂) relativ zum vertikalen Bildrand, wobei der Rollwinkel (ρ) als Korrekturfaktor eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Messen des Rollwinkels (ρ) der Kamera (K), der die Verdrehung der Kamera (K) um ihre optische Achse festlegt, durch Messung des Winkels (ρ) der Horizontallinie (L) relativ zum horizontalen Bildrand.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 zur Ermittlung der Breite (W) einer Fahrbahn (1) und/oder seitlichen Ablage (A) eines Fahrzeugs von der Mittellinie (M) einer durch parallele Begrenzungslinien (2a, 2b) definierten Fahrbahn mit einer an einem sich auf der Fahrbahn bewegenden Fahrzeug angeordneten Kamera (K).
Verfahren nach Anspruch 6 zur Ermittlung des Abstands (D) von einem Fahrbahnrand aus dem Winkel (δ) einer den Fahrbahnrand definierenden Begrenzungslinie der Fahrbahn (1) nach der Formel D = H tanδ,wobei die Einbauhöhe (H) der Kamera (K) über der Fahrbahnebene bekannt ist.