RU2492420C2 - Method of determining spatial position of object and apparatus for implementing said method - Google Patents

Method of determining spatial position of object and apparatus for implementing said method Download PDF

Info

Publication number
RU2492420C2
RU2492420C2 RU2011134657/28A RU2011134657A RU2492420C2 RU 2492420 C2 RU2492420 C2 RU 2492420C2 RU 2011134657/28 A RU2011134657/28 A RU 2011134657/28A RU 2011134657 A RU2011134657 A RU 2011134657A RU 2492420 C2 RU2492420 C2 RU 2492420C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
coordinates
control
marks
photodetector
coordinate system
Prior art date
Application number
RU2011134657/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011134657A (en
Inventor
Валерий Викторович Коротаев
Александр Николаевич Тимофеев
Мария Геннадьевна Серикова
Алексей Александрович Горбачёв
Антон Валерьевич Пантюшин
Антон Андреевич Мараев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Priority to RU2011134657/28A priority Critical patent/RU2492420C2/en
Publication of RU2011134657A publication Critical patent/RU2011134657A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2492420C2 publication Critical patent/RU2492420C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: when implementing the method, control marks are mounted at control points of the object, radiation from which forms exposure distribution in the image plane of the photodetector device. Coordinates of control marks in an instrument coordinate system are determined from the obtained image in one spectral range. The position of the instrument coordinate system relative an external system is determined. The spatial position of the object is determined from coordinates of control marks recalculated from the instrument coordinate system to the external coordinate system. Further, exposure distribution in a spectral range different from the first is determined. Coordinates of centres of exposure distribution in each of the two spectral ranges are compared. The refraction error value is determined and then subtracted from the obtained coordinates of control marks in the instrument coordinate system. In the apparatus, at least one point radiator of one control mark is in form of a white light radiator. The photodetector device has at least one photodetector in form of a matrix optical radiation detector, on each spatial element of which there is a light filter of one of at least two different spectral ranges.
EFFECT: high measurement accuracy.
3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для измерения пространственного положения объекта посредством дистанционного измерения координат контрольных меток, закрепленных на нем. При этом изобретение позволяет проводить мониторинг состояния техногенных конструкций и, следовательно, предупреждать возникновение техногенных катастроф. Изобретение может быть использовано для предотвращения разрушения плотин, мостов, строительных конструкций (фундаментов зданий, кровли и т.д.), туннелей, а также предупреждения железнодорожных катастроф, аварий на шахтах, авиакатастроф и др.The invention relates to measuring technique and is intended to measure the spatial position of the object by remote measurement of the coordinates of the control marks attached to it. Moreover, the invention allows monitoring the state of man-made structures and, therefore, to prevent the occurrence of man-made disasters. The invention can be used to prevent the destruction of dams, bridges, building structures (foundations of buildings, roofs, etc.), tunnels, as well as the prevention of railway accidents, accidents at mines, plane crashes, etc.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ измерения пространственного положения объекта при помощи геодезического измерительного устройства (US 2010/0119161 A1 G06K 9/68; G01C 15/00 от 13.05.2010).The closest in technical essence to the claimed invention is a method of measuring the spatial position of an object using a geodetic measuring device (US 2010/0119161 A1 G06K 9/68; G01C 15/00 from 05/13/2010).

Данный способ измерения заключается в следующем. В контролируемых точках объекта закрепляют не менее трех контрольных меток, излучение от которых формирует распределение облученности в плоскости изображения фотоприемного устройства. По полученным изображениям определяют координаты контрольных меток в приборной системе координат. Далее находят не менее двух общих меток между измеренными контрольными метками и опорными метками, положение которых известно во внешней системе координат. По положению общих меток определяют положение приборной системы координат во внешней системе, а пространственное положение объекта определяют по координатам контрольных меток, пересчитанным из приборной системы координат во внешнюю систему координат.This measurement method is as follows. At controlled points of the object, at least three reference marks are fixed, the radiation from which forms the distribution of irradiation in the image plane of the photodetector. The obtained images determine the coordinates of the control marks in the instrument coordinate system. Next, find at least two common marks between the measured control marks and the reference marks, the position of which is known in the external coordinate system. The position of the common marks determines the position of the instrument coordinate system in the external system, and the spatial position of the object is determined by the coordinates of the control marks, recounted from the instrument coordinate system to the external coordinate system.

Недостатками рассмотренного способа являются отсутствие измерения рефракционной составляющей погрешности измерения, что при наличии градиента температуры вдоль трассы измерения может существенно снизить точность измерения;The disadvantages of the considered method are the lack of measurement of the refractive component of the measurement error, which in the presence of a temperature gradient along the measurement path can significantly reduce the measurement accuracy;

трудоемкость поиска опорных меток среди множества контрольных, что при значительном количестве меток значительно снижает быстродействие; а также низкая автоматизация измерений.the complexity of the search for reference marks among the set of control, which with a significant number of tags significantly reduces performance; as well as low automation of measurements.

Из уровня техники известно устройство для измерения пространственного положения объекта, описанный в патенте WO 01/88470 A1, G01B 11/00 от 22.11.2001, которое по совокупности признаков является наиболее близким к заявляемому изобретению и может быть принято за прототип. Данное устройство включает не менее одной контрольной метки, выполненной в виде не менее одного точечного излучателя, размещаемого на контролируемом объекте, фотоприемное устройство, оптически сопряженное с контрольной меткой, содержащее оптическую систему, в фокальной плоскости которой расположен фотоприемник, выход которого соединен с входом блока обработки, и блок управления метками, вход которого соединен с первым выходом блока обработки.The prior art device for measuring the spatial position of an object described in patent WO 01/88470 A1, G01B 11/00 of 11/22/2001, which, by the totality of the features, is closest to the claimed invention and can be taken as a prototype. This device includes at least one reference mark made in the form of at least one point emitter placed on the controlled object, a photodetector optically coupled to a control mark, containing an optical system in the focal plane of which there is a photodetector, the output of which is connected to the input of the processing unit , and a label control unit, the input of which is connected to the first output of the processing unit.

Основным недостатком указанного устройства является отсутствие у него возможности измерения рефракционной составляющей погрешности измерения:The main disadvantage of this device is the lack of the ability to measure the refractive component of the measurement error:

Поэтому задачей настоящего изобретения является разработка нового способа измерения пространственного положения объекта и устройства для его осуществления, который бы обеспечивал достижение следующего технического результата, а именно повышение точности измерения.Therefore, the objective of the present invention is to develop a new method for measuring the spatial position of the object and device for its implementation, which would ensure the achievement of the following technical result, namely improving the accuracy of measurement.

Решение поставленной задачи с достижением указанного технического результата заключается в том, что в способе измерения пространственного положения объекта, заключающемся в том, в контролируемых точках объекта закрепляют контрольные метки, излучение от которых формирует распределение облученности в плоскости изображения фотоприемного устройства, фиксируя полученное распределение в одном из спектральных диапазонов, получают изображение, по которому определяют координаты пространственного положения контрольных меток в приборной системе координат (ПСК), отыскивая среди координат контрольных меток координаты тех точек, положение которых известно во внешней системе координат, определяют положение приборной системы координат относительно внешней системы, а пространственное положение объекта определяют по координатам контрольных меток, пересчитанным из приборной системы координат во внешнюю систему координат, новым является то, что дополнительно фиксируют распределение облученности в спектральном диапазоне, отличном от первого, сравнивая координаты центров распределений облученности в каждом из двух спектральных диапазонов для не менее, чем одной метки определяют значение рефракционной погрешности:The solution of the problem with the achievement of the specified technical result consists in the fact that in the method of measuring the spatial position of the object, which consists in the fact that at the controlled points of the object control marks are fixed, the radiation from which forms the distribution of irradiation in the image plane of the photodetector, fixing the distribution obtained in one of spectral ranges, an image is obtained that determines the coordinates of the spatial position of the control marks in the instrument the coordinate system (UCS), finding among the coordinates of the control marks the coordinates of those points whose position is known in the external coordinate system, determine the position of the instrument coordinate system relative to the external system, and the spatial position of the object is determined by the coordinates of the control marks recounted from the instrument coordinate system to the external system of coordinates, new is that they additionally fix the distribution of irradiation in a spectral range other than the first, comparing the coordinates of the centers of irradiation limits in each of the two spectral ranges for at least one label determine the value of the refractive error:

Δx ( λ ) = ( n ( λ ) 1 ) ( x ( λ 1 ) x ( λ 2 ) ) ( n ( λ 2 ) n ( λ 1 ) ) M ,

Figure 00000001
Δx ( λ ) = - ( n ( λ ) - one ) ( x ( λ one ) - x ( λ 2 ) ) ( n ( λ 2 ) - n ( λ one ) ) M ,
Figure 00000001
Δy ( λ ) = ( n ( λ ) 1 ) ( y ( λ 1 ) y ( λ 2 ) ) ( n ( λ 2 ) n ( λ 1 ) ) M ,
Figure 00000002
Δy ( λ ) = - ( n ( λ ) - one ) ( y ( λ one ) - y ( λ 2 ) ) ( n ( λ 2 ) - n ( λ one ) ) M ,
Figure 00000002

где n(λ), n(λ1), n(λ2) - показатели преломления воздушного тракта на длине волны измерения и в выбранных спектральных диапазонах соответственно, (x(λ1),y(λ1)), (x(λ2),y(λ2)) - координаты центра распределения облученности в изображении метки в выбранных спектральных диапазонах, М - коэффициент пересчета координат из пространства изображений в пространство предметов, из полученных значений координат пространственного положения контрольных меток в приборной системе координат вычитают значение рефракционной погрешности.where n (λ), n (λ 1 ), n (λ 2 ) are the refractive indices of the air path at the measurement wavelength and in the selected spectral ranges, respectively, (x (λ 1 ), y (λ 1 )), (x ( λ 2 ), y (λ 2 )) are the coordinates of the center of the distribution of irradiation in the image of the label in the selected spectral ranges, M is the coefficient of conversion of coordinates from the image space to the space of objects, from the obtained coordinate values of the spatial position of the control marks in the instrument coordinate system, the value of the refraction inaccuracies.

Возможен вариант, развитие основного технического решения которого заключается в том, что в способе измерения пространственного положения дополнительно фиксируют распределение фоновой облученности, не содержащее облученности от контрольных меток, сравнивая которое с полученным ранее в том же спектральном диапазоне распределением облученности, выявляют различающиеся области, которые принимают за изображения меток, по которым определяют координаты пространственного положения контрольных меток в приборной системе координат.A variant is possible, the development of the main technical solution of which consists in the fact that the method of measuring the spatial position additionally fixes the distribution of background irradiation that does not contain irradiation from control marks, comparing it with the distribution of irradiation obtained earlier in the same spectral range, they reveal different areas that take for the image labels, which determine the coordinates of the spatial position of the control labels in the instrument coordinate system.

В устройстве измерения пространственного положения объекта, включающем не менее одной контрольной метки, выполненной в виде не менее одного точечного излучателя, размещаемого на контролируемом объекте, фотоприемное устройство, оптически сопряженное с контрольной меткой, содержащее оптическую систему, в фокальной плоскости которой расположен фотоприемник, выход которого соединен с входом блока обработки, и блок управления метками, вход которого соединен с первым выходом блока обработки, новым является то, что по крайней мере один точечный излучатель одной контрольной метки выполнен в виде излучателя белого цвета, а фотоприемное устройство содержит не менее одного фотоприемника, выполненного в виде матричного приемника оптического излучения, на каждый пространственный элемент которого нанесен светофильтр одного из по крайней мере двух различных спектральных диапазонов.In the device for measuring the spatial position of an object, including at least one reference mark made in the form of at least one point emitter placed on the controlled object, a photodetector optically coupled to a control mark containing an optical system in the focal plane of which there is a photodetector, the output of which connected to the input of the processing unit, and the label control unit, the input of which is connected to the first output of the processing unit, is new, that at least one point ny radiator one reference mark is in the form of white emitter and photodetector comprises at least one photodetector provided in the form of a matrix of optical radiation receiver, on each spatial filter element which is deposited one of at least two different spectral ranges.

Заявителем проведен патентный поиск по данной теме и заявляемая совокупность существенных признаков не выявлена. Поэтому предлагаемое изобретение можно признать новым.The applicant has conducted a patent search on this topic and the claimed combination of essential features has not been identified. Therefore, the present invention can be recognized as new.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг 1 приведена структурная схема заявляемого устройства.Figure 1 shows the structural diagram of the inventive device.

1 - контрольная метка (КМ)1 - control mark (KM)

2 - фотоприемное устройство (ФУ)2 - photodetector (FU)

3 - оптическая система (ОС)3 - optical system (OS)

4 - фотоприемник (ФП)4 - photodetector (FP)

5 - светофильтр (СФ)5 - light filter (SF)

6 - блок обработки (БО)6 - processing unit (BO)

7 - блок управления метками (БУМ)7 - label control unit (BOOM)

Устройство содержит активные контрольные метки 1, жестко закрепленные в контролируемых точках объекта. Каждая контрольная метка 1, содержит не менее одного точечного излучателя, и оптически сопряжена с фотоприемным устройством 2, состоящим из оптической системы 3, в фокальной плоскости которой расположен фотоприемник 4, на каждый пространственный элемент которого нанесен светофильтр 5 одного из, по крайней мере, двух различных спектральных диапазонов. Например, может быть использован цветной матричный фотоприемник, порядок следования светофильтров которого выполнен по схеме Байера. Выход фотоприемника 4 соединен с первым входом блока обработки 6, первый выход которого подключен ко входу блока управления метками 7, задающим режим работы контрольных меток 1, а другой выход предназначен для подключения ко внешнему устройству, например, к устройству сигнализации или к серверу, осуществляющему сбор информации о состоянии объекта с датчиков различных типов.The device contains active control marks 1, rigidly fixed at controlled points of the object. Each control mark 1 contains at least one point emitter, and is optically coupled to a photodetector 2, consisting of an optical system 3, in the focal plane of which there is a photodetector 4, on each spatial element of which a filter 5 of one of at least two different spectral ranges. For example, a color matrix photodetector can be used, the order of which filters is made according to the Bayer scheme. The output of the photodetector 4 is connected to the first input of the processing unit 6, the first output of which is connected to the input of the label control unit 7, which determines the operation mode of the control labels 1, and the other output is designed to connect to an external device, for example, to an alarm device or to a server that collects information about the state of the object from sensors of various types.

На фиг.2 показан принцип борьбы с помехами при помощи межкадровой разности, где a - изображение, содержащее только фоновую облученность, б - изображение, содержащее также и облученность от контрольной метки, в - результирующее изображение, содержащее только изображение контрольной метки.Figure 2 shows the principle of combating interference using the inter-frame difference, where a is an image containing only background irradiance, b is an image containing also irradiation from the reference mark, c is the resulting image containing only the reference mark image.

На фиг.3 представлен принцип измерения рефракционной составляющей погрешности. Светофильтры 5, блок обработки 6 и блок управления метками 7 не показаны.Figure 3 presents the principle of measuring the refractive component of the error. The filters 5, the processing unit 6 and the label control unit 7 are not shown.

Излучение от точечного излучателя контрольной метки 1, проходя по оптической трассе длиной L, в результате наличия градиента температуры T подвергается воздействию рефракции. Поскольку излучение разных длин волн отклоняется в результате действия рефракции по-разному, то в плоскости расположения фотоприемника 4, расположенной на расстоянии f' от оптической системы, каждый спектральный канал образует собственное изображение излучателя контрольной метки 1. Если действие рефракции не учитывать, то пересчет координат излучателя контрольной метки 1 из пространства предметов в пространство изображений приведет к ошибочным результатам - 1'. При этом величина ошибки для каждого спектрального канала будет своя. Однако измерив отклонения изображения для двух спектральных каналах у(λ1) и у(λ2), можно рассчитать величину возникающей в данных условиях погрешности для требуемой длины волны и внести соответствующую поправку в измерения.The radiation from the point emitter of the reference mark 1, passing along an optical path of length L, is subjected to refraction as a result of the presence of a temperature gradient T. Since the radiation of different wavelengths deviates differently as a result of the action of refraction, then in the plane of the photodetector 4 located at a distance f 'from the optical system, each spectral channel forms its own image of the emitter of the reference mark 1. If the effect of refraction is not taken into account, then the coordinate recount emitter of control mark 1 from the space of objects to the space of images will lead to erroneous results - 1 '. In this case, the error value for each spectral channel will be different. However, by measuring the deviations of the image for the two spectral channels y (λ 1 ) and y (λ 2 ), it is possible to calculate the magnitude of the error that arises under the given conditions for the required wavelength and make a corresponding correction to the measurements.

Способ измерения пространственного положения объекта и устройство для его осуществления работают следующим образом.A method of measuring the spatial position of an object and a device for its implementation are as follows.

В контрольных точках объекта закрепляют не менее трех контрольных меток 1, каждая из которых содержит не менее одного точечного излучателя, оптически сопряженного с фото приемным устройством 2. Наличие нескольких излучателей в составе контрольной метки 1 позволяет вычислять координату дальности до объекта измерения без использования дальномерных каналов, а также увеличить помехозащищенность устройства, поскольку такое исполнение контрольной метки 1 привносит дополнительную информацию, что позволяет использовать специальные алгоритмы распознавания. Не менее двух контрольных меток 1 закрепляют в точках, координаты которых априорно известны во внешней системе координат (например, проектная система координат здания). Данные контрольные метки являются опорными. Для увеличения точности определения взаимного положения приборной и внешней систем координат опорные метки, устанавливают в точках, разнесенных на максимальное расстояние в пределах поля зрения фотоприемного устройства 2.At least three control marks 1 are fixed at the control points of the object, each of which contains at least one point emitter optically coupled to a photo-receiving device 2. The presence of several emitters in the control mark 1 allows one to calculate the coordinate of the distance to the measurement object without using range-finding channels, as well as to increase the noise immunity of the device, since such a performance of check mark 1 brings additional information, which allows the use of special algorithm s recognition. At least two reference marks 1 are fixed at points whose coordinates are a priori known in an external coordinate system (for example, the design coordinate system of a building). These reference marks are reference. To increase the accuracy of determining the relative position of the instrument and external coordinate systems, reference marks are set at points spaced at a maximum distance within the field of view of the photodetector 2.

Поскольку контрольные метки 1 оптически сопряжены с фотоприемным устройством 2, то их излучение, проходя через оптическую систему 3 формирует распределение облученности в плоскости изображения фотоприемного устройства 2, в которой установлен фотоприемник 4, выполненный в виде матричного приемника оптического излучения, на каждый пространственный элемент которого нанесен светофильтр 5 красного, синего или зеленого областей спектра. По сигналу от блока обработки 6 фотоприемное устройство 2 фиксирует сформированное распределение облученности. Блок обработки 6 последовательно формирует два сигнала фиксации кадра. Первый - в момент, когда все контрольные метки 1, расположенные в поле зрения фотоприемного устройства 2, выключены. Таким образом, фотоприемное устройство 2 фиксирует изображение, содержащее только фоновую облученность. Второй - в момент, когда все контрольные метки 1 в поле зрения фотоприемного устройства 2 включены. Таким образом, второе изображение содержит помимо той же фоновой облученности, также и облученность от контрольных меток 1. Поскольку фотоприемник 4 выполнен в виде цветной матрицы, то при фиксации им распределения облученности, получают три изображения в разных спектральных диапазонах (красный, синий и зеленый). Одно из таких изображений (например, в красном диапазоне) используют для борьбы с помехами при помощи межкадровой разности (фиг.2), а другое (в синем или зеленом диапазоне) - для расчета рефракционной составляющей погрешности. Зафиксированные изображения сохраняются в памяти блока обработки 6. Включение и выключение контрольных меток 1 производится блоком управления метками 7 по команде от блока обработки 6. Кроме того, наличие связи блок обработки 6 - блок управления метками 7 позволяет настраивать яркость свечения источников контрольной метки 1, тем самым увеличивая их видимость на фоне окружающей обстановки.Since the control marks 1 are optically coupled to the photodetector 2, their radiation passing through the optical system 3 forms an irradiation distribution in the image plane of the photodetector 2, in which the photodetector 4 is installed, made in the form of a matrix receiver of optical radiation, on each spatial element of which is applied 5 filter of red, blue or green spectral regions. The signal from the processing unit 6, the photodetector 2 captures the formed distribution of irradiation. Processing unit 6 sequentially generates two frame lock signals. The first is at the moment when all the control marks 1 located in the field of view of the photodetector 2 are turned off. Thus, the photodetector 2 captures an image containing only background irradiation. The second - at the time when all the control marks 1 in the field of view of the photodetector 2 are turned on. Thus, the second image contains, in addition to the same background irradiation, also the irradiation from the reference marks 1. Since the photodetector 4 is made in the form of a color matrix, when it fixes the distribution of irradiation, three images are obtained in different spectral ranges (red, blue and green) . One of these images (for example, in the red range) is used to combat interference using the inter-frame difference (Fig. 2), and the other (in the blue or green range) is used to calculate the refractive component of the error. The captured images are stored in the memory of the processing unit 6. The control marks 1 are turned on and off by the label control unit 7 by a command from the processing unit 6. In addition, the communication between the processing unit 6 and the label control unit 7 allows you to adjust the brightness of the sources of the control mark 1, increasing their visibility against the background of the environment.

Борьба с помехами при помощи межкадровой разности производится следующим образом (фиг.2). Блок обработки 6 производит сравнение двух изображений, сохраненных в памяти - одно изображение, полученное по первой команде от блока обработки 6 (содержит только фоновую облученность (фиг.2,а), например, в красном канале, а второе изображение, полученные в том же спектральном диапазоне, но по второй команде от блока обработки 6 (содержит облученность и от контрольных меток 1 (фиг.2,б). В блоке обработки 6 производят поэлементное вычитание одного изображения из другого, тем самым оставляя на результирующем изображении (фиг.2,в) только различающиеся области, представляющие собой с большой долей вероятности именно изображения контрольных меток 1. Далее по координатам центров изображений контрольных меток 1 определяют координаты пространственного положения контрольных меток в приборной системе координат.The fight against interference using the inter-frame difference is as follows (figure 2). Processing unit 6 compares two images stored in memory - one image obtained by the first command from processing unit 6 (contains only background irradiation (Fig. 2, a), for example, in the red channel, and the second image obtained in the same the spectral range, but according to the second command from the processing unit 6 (contains irradiation and from the control marks 1 (Fig.2, b). In the processing unit 6, one image subtract one image from another, thereby leaving on the resulting image (Fig.2, c) only distinguishing These regions are, with a high degree of probability, precisely images of control marks 1. Next, the coordinates of the spatial position of the control marks in the instrument coordinate system are determined by the coordinates of the centers of the images of control marks 1.

После этого на одном из изображений, полученных по второй команде от блока обработки 6, но в другом спектральном диапазоне (например, в синем канале), также находят координаты центров контрольных меток 1. Их нахождение сложности не представляет, поскольку изображения контрольных меток 1, найденные раннее в другом спектральном канале, расположены в той же пространственной области. Для не менее, чем одной контрольной метки 1 в блоке обработки 6 вычисляют разницу координат между центрами ее изображений в каждом из двух спектральных диапазонов (фиг.3). По рассчитанной разнице определяют значение рефракционной составляющей погрешности по выражениям:After that, one of the images obtained by the second command from the processing unit 6, but in a different spectral range (for example, in the blue channel) also finds the coordinates of the centers of the reference marks 1. Their location is not difficult, since the images of the reference marks 1 found earlier in another spectral channel, located in the same spatial region. For at least one reference mark 1 in the processing unit 6, the difference in coordinates between the centers of its images in each of the two spectral ranges is calculated (FIG. 3). The calculated difference determines the value of the refractive error component by the expressions:

Δx ( λ ) = ( n ( λ ) 1 ) ( x ( λ 1 ) x ( λ 2 ) ) ( n ( λ 2 ) n ( λ 1 ) ) M ,

Figure 00000003
Δx ( λ ) = - ( n ( λ ) - one ) ( x ( λ one ) - x ( λ 2 ) ) ( n ( λ 2 ) - n ( λ one ) ) M ,
Figure 00000003
Δy ( λ ) = ( n ( λ ) 1 ) ( y ( λ 1 ) y ( λ 2 ) ) ( n ( λ 2 ) n ( λ 1 ) ) M ,
Figure 00000004
Δy ( λ ) = - ( n ( λ ) - one ) ( y ( λ one ) - y ( λ 2 ) ) ( n ( λ 2 ) - n ( λ one ) ) M ,
Figure 00000004

где n(λ), n(λ1), n(λ2) - показатели преломления воздушного тракта на длине волны измерения и в выбранных спектральных диапазонах соответственно, (x(λ1),y(λ1)), (x(λ2),y(λ2)) - координаты центра распределения облученности в изображении контрольной метки 1 в выбранных спектральных диапазонах, M - коэффициент пересчета координат из пространства изображений в пространство предметов.where n (λ), n (λ 1 ), n (λ 2 ) are the refractive indices of the air path at the measurement wavelength and in the selected spectral ranges, respectively, (x (λ 1 ), y (λ 1 )), (x ( λ 2 ), y (λ 2 )) are the coordinates of the center of the irradiation distribution in the image of the reference mark 1 in the selected spectral ranges, M is the coefficient of conversion of coordinates from the image space to the space of objects.

Поскольку для расчета рефракционной составляющей погрешности необходимо, чтобы излучение контрольной метки 1 было видимым в разных спектральных интервалах, то, по крайней мере, один излучатель одной контрольной метки 1 выполняется в виде излучателя белого цвета.Since for the calculation of the refractive component of the error it is necessary that the radiation of the reference mark 1 is visible in different spectral ranges, then at least one emitter of one reference mark 1 is made in the form of a white emitter.

Найденное значение рефракционной составляющей погрешности вычитают из полученных ранее значений координат пространственного положения контрольных меток 1 в приборной системе координат. После чего находят не менее двух общих меток 1 между измеренными контрольными метками и опорными метками. По положению общих меток 1 определяют положение приборной системы координат во внешней системе, а пространственное положение объекта определяют по координатам контрольных меток 1, пересчитанным из приборной системы координат во внешнюю систему координат. При этом в случае закрепления опорных меток на стабильных неподверженных деформациям элементах конструкции контролируемого объекта, а остальных контрольных меток в критических точках конструкции, оказывается возможным непрерывно измерять степень деформации объекта, вычисляя разницу между номинальным и текущим положением контрольных меток, либо контролируя нарастание разницы между опорными и остальными метками во времени. В случае, если значение разницы превышает заданную величину, выносится предупреждение об опасности возникновения техногенной катастрофы. Текущее положение контрольных меток отслеживают в реальном масштабе времени, что позволяет оперативно реагировать на угрозу возникновения катастрофы.The found value of the refractive error component is subtracted from the previously obtained coordinate values of the spatial position of the control marks 1 in the instrument coordinate system. After that, at least two common marks 1 are found between the measured control marks and the reference marks. The position of the common marks 1 determines the position of the instrument coordinate system in the external system, and the spatial position of the object is determined by the coordinates of the control marks 1, recounted from the instrument coordinate system to the external coordinate system. In this case, if the reference marks are fixed on stable structural elements of the controlled object that are not subject to deformation, and the remaining control marks are at critical points of the structure, it is possible to continuously measure the degree of deformation of the object, calculating the difference between the nominal and current position of the control marks, or controlling the increase in the difference between the reference and other marks in time. If the value of the difference exceeds the specified value, a warning is issued about the danger of a man-made disaster. The current position of the control marks is monitored in real time, which allows you to quickly respond to the threat of a disaster.

Устройство может содержать как несколько фотоприемных устройств 2, подключенных к общему блоку обработки 6, так и несколько фотопримников 4 с нанесенными на них светофильтрами 5 в пределах одного фотоприемного устройства 2. Наличие нескольких фотоприемников 4 позволяет применить возможность параллельной обработки изображения, т.е. осуществлять распределенные вычисления, а также расширить эффективное поле зрение каждого из фотоприемных устройств 2. Наличие нескольких фотоприемных устройств 2 позволяет работать в распределенном поле зрения, за счет чего проводить всесторонний обмер достаточно протяженных объектов. Располагать фотоприемные устройства 2 следует таким образом, чтобы их совокупное поле зрения охватывало все контрольные метки 1, при этом в поле зрения каждого фотоприемного устройства 2 должно попадать не менее двух опорных меток для однозначной «стыковки» приборных систем координат всех фотоприемных устройств 2.The device may contain several photodetectors 2 connected to a common processing unit 6, and several photodetectors 4 with optical filters 5 deposited on them within the same photodetector device 2. The presence of several photodetectors 4 allows the possibility of parallel image processing, i.e. carry out distributed calculations, as well as expand the effective field of view of each of the photodetector devices 2. The presence of several photodetector devices 2 allows you to work in a distributed field of view, due to which comprehensive measurements of sufficiently extended objects can be carried out. The photodetector devices 2 should be positioned in such a way that their total field of view covers all control marks 1, while at least two reference marks must be in the field of view of each photodetector device 2 to unambiguously “dock” the coordinate systems of all photodetector devices 2.

При использовании для измерений нескольких фотоприемных устройств 2, каждое из них дополнительно содержит блок предобработки, первый вход которого соединен с фотоприемником 4, второй вход - со вторым выходом блока обработки 6, а выход - с первым входом блока обработки 6When using several photodetector devices 2 for measurements, each of them additionally contains a preprocessing unit, the first input of which is connected to the photodetector 4, the second input - with the second output of the processing unit 6, and the output - with the first input of the processing unit 6

Следует отметить, что заявляемое устройство не требует поочередного измерения положения контрольных меток 1. Здесь происходит одновременная фиксация положений всех контрольных меток 1 без перемещения фотоприемного устройства 2, что позволяет исключить погрешность измерения, связанную с механическими перемещениями устройства, тем самым повысив точность его работы.It should be noted that the inventive device does not require sequentially measuring the position of the control marks 1. Here, the positions of all the control marks 1 are simultaneously fixed without moving the photodetector 2, which eliminates the measurement error associated with mechanical movements of the device, thereby increasing the accuracy of its operation.

Пример конкретного исполненияConcrete example

В качестве излучателей в опорных контрольных метках 1 используется полупроводниковый излучающий диод (ПИД) белого цвета: GNL-5013RGBW-C(C.C.) Излучатели остальных контрольных меток 1 выполнены в виде инфракрасных ПИД, работающих на длине волны 880 нм. Каждая контрольная метка 1 содержит два ПИД, закрепленных на плоском держателе, имеющем необходимые крепления для удержания его на контролируемом объекте. Блок управления метками 7 выполнен единой платой с размещенным на ней микроконтроллером и несколькими каналами управления метками 7, каждый из которых состоит из инвертора и усилителя, выполняющих широтно-импульсную модуляцию. Количество каналов соответствует общему числу ПИД.A white semiconductor emitting diode (PID) is used as emitters in the reference reference marks 1: GNL-5013RGBW-C (C.C.) The emitters of the remaining reference marks 1 are made in the form of infrared PIDs operating at a wavelength of 880 nm. Each control mark 1 contains two PIDs mounted on a flat holder having the necessary fastenings to hold it on the controlled object. The tag control unit 7 is made by a single board with a microcontroller located on it and several tags 7 control channels, each of which consists of an inverter and an amplifier that perform pulse width modulation. The number of channels corresponds to the total number of PIDs.

В данном случае за координату центра распределения облученности в изображении метки 1 в выбранном спектральном диапазоне принимают координату центра отрезка, соединяющего энергетические центры изображений излучателей контрольной метки 1 по выражениям:In this case, the coordinate of the center of the irradiation distribution in the image of the mark 1 in the selected spectral range is the coordinate of the center of the segment connecting the energy centers of the images of the emitters of the control mark 1 according to the expressions:

x ( λ ) = x k2 ( λ ) x k1 ( λ ) 2

Figure 00000005
, y ( λ ) = y k2 ( λ ) y k1 ( λ ) 2
Figure 00000006
, x ( λ ) = x k2 ( λ ) - x k1 ( λ ) 2
Figure 00000005
, y ( λ ) = y k2 ( λ ) - y k1 ( λ ) 2
Figure 00000006
,

где (xk1(λ),yk1(λ)), (xk2(λ),yk2(λ)) - координаты энергетических центров изображений первого и второго излучателя контрольной метки 1 соответственно.where (x k1 (λ), y k1 (λ)), (x k2 (λ), y k2 (λ)) are the coordinates of the energy centers of the images of the first and second emitter of check mark 1, respectively.

Следует отметить, что в случае использование бидиодной контрольной метки 1 в выражениях:It should be noted that in the case of using a bidioid check mark 1 in the expressions:

Δx ( λ ) = ( n ( λ ) 1 ) ( x ( λ 1 ) x ( λ 2 ) ) ( n ( λ 2 ) n ( λ 1 ) ) M

Figure 00000007
, Δy ( λ ) = ( n ( λ ) 1 ) ( y ( λ 1 ) y ( λ 2 ) ) ( n ( λ 2 ) n ( λ 1 ) ) M
Figure 00000008
Δx ( λ ) = - ( n ( λ ) - one ) ( x ( λ one ) - x ( λ 2 ) ) ( n ( λ 2 ) - n ( λ one ) ) M
Figure 00000007
, Δy ( λ ) = - ( n ( λ ) - one ) ( y ( λ one ) - y ( λ 2 ) ) ( n ( λ 2 ) - n ( λ one ) ) M
Figure 00000008

масштабный коэффициент М вычисляют по выражению:the scale factor M is calculated by the expression:

M = B ( x 1 x 2 ) 2 + ( y 1 y 2 ) 2

Figure 00000009
, M = B ( x one - x 2 ) 2 + ( y one - y 2 ) 2
Figure 00000009
,

где В - длина базового отрезка в пространстве предметов, измеренная априорно с большой точностью.where B is the length of the base segment in the space of objects, measured a priori with great accuracy.

Отсюда видно, что в данном случае масштабный коэффициент вычисляется автоматически без включения в состав устройства дополнительных дальномерных каналов.This shows that in this case, the scale factor is calculated automatically without including additional range-finding channels in the device.

Каждое фотоприемное устройство 2 выполнено единым блоком в виде видеокамеры, оптическая система 3 которой представляет собой объектив с фокусным расстоянием 50 мм и угловым полем 29°, фотоприемник 4 выполнен в виде цветной ПЗС-матрицы формата 1/2,5 дюйма с размером пиксела 2,2 мкм×2,2 мкм с 2592(H)×l944(V) числом активным элементов, а блок предобработки представляет собой плату с микроконтроллером. Цветочувствительность матрицы обеспечивается нанесением на фоточувствительную поверхность фильтра Байера. Алгоритм межкадровой разности применяется в красном спектральном канале, а в качестве второго спектрального канала для измерения рефракционной составляющей погрешности используют синий канал.Each photodetector 2 is made as a single unit in the form of a video camera, the optical system 3 of which is a lens with a focal length of 50 mm and an angular field of 29 °, the photodetector 4 is made in the form of a color CCD matrix of 1 / 2.5 inch format with a pixel size of 2, 2 μm × 2.2 μm with 2592 (H) × l944 (V) the number of active elements, and the preprocessing unit is a board with a microcontroller. The photosensitivity of the matrix is ensured by applying a Bayer filter to the photosensitive surface. The inter-frame difference algorithm is used in the red spectral channel, and the blue channel is used as the second spectral channel for measuring the refractive error component.

Блок обработки 6 выполнен единым блоком с блоком управления метками 7 в виде электронной вычислительной машины, при этом управление контрольными метками 1 осуществляется по радиоканалу, а связь между блоком предобработки и блоком обработки 6 осуществляется по Ethernet интерфейсу.The processing unit 6 is made as a single unit with the label control unit 7 in the form of an electronic computer, while the control labels 1 are controlled via a radio channel, and the communication between the preprocessing unit and the processing unit 6 is via an Ethernet interface.

Таким образом, заявляемая совокупность признаков обеспечивает повышение точности измерения пространственного положения объекта.Thus, the claimed combination of features provides an increase in the accuracy of measuring the spatial position of the object.

Claims (3)

1. Способ измерения пространственного положения объекта, заключающийся в том, что в контролируемых точках объекта закрепляют контрольные метки, излучение от которых формирует распределение облученности в плоскости изображения фотоприемного устройства, фиксируя полученное распределение в одном из спектральных диапазонов, получают изображение, по которому определяют координаты пространственного положения контрольных меток в приборной системе координат (ПСК), определяя среди координат контрольных меток координаты тех точек, положение которых известно во внешней системе координат, определяют положение ПСК относительно внешней системы, а пространственное положение объекта определяют по координатам контрольных меток, пересчитанным из ПСК во внешнюю систему координат, отличающийся тем, что дополнительно фиксируют распределение облученности в спектральном диапазоне, отличном от первого, сравнивая координаты центров распределений облученности в каждом из двух спектральных диапазонов для не менее, чем одной метки, определяют значение рефракционной погрешности:
Δx ( λ ) = ( n ( λ ) 1 ) ( x ( λ 1 ) x ( λ 2 ) ) ( n ( λ 2 ) n ( λ 1 ) ) M ,
Figure 00000010
Δy ( λ ) = ( n ( λ ) 1 ) ( y ( λ 1 ) y ( λ 2 ) ) ( n ( λ 2 ) n ( λ 1 ) ) M ,
Figure 00000011

где n(λ), n(λ1), n(λ2) - показатели преломления воздушного тракта на длине волны измерения и в выбранных спектральных диапазонах соответственно;
(x(λ1),y(λ1)), (x(λ2),y(λ2)) - координаты центра распределения облученности в изображении метки в выбранных спектральных диапазонах;
M - коэффициент пересчета координат из пространства изображений в пространство предметов;
из полученных значений координат пространственного положения контрольных меток в приборной системе координат вычитают значение рефракционной погрешности.
1. The method of measuring the spatial position of the object, which consists in the fact that in the controlled points of the object control marks are fixed, the radiation from which forms the distribution of irradiation in the image plane of the photodetector, fixing the distribution in one of the spectral ranges, an image is obtained by which the coordinates of the spatial positions of control marks in the instrument coordinate system (UCS), determining among the coordinates of control marks the coordinates of those points which are known in the external coordinate system, determine the position of the UCS relative to the external system, and the spatial position of the object is determined by the coordinates of the reference marks recalculated from the UCS to an external coordinate system, characterized in that they additionally fix the distribution of irradiation in the spectral range other than the first, comparing the coordinates the centers of irradiation distributions in each of the two spectral ranges for at least one label, determine the value of the refractive error:
Δx ( λ ) = - ( n ( λ ) - one ) ( x ( λ one ) - x ( λ 2 ) ) ( n ( λ 2 ) - n ( λ one ) ) M ,
Figure 00000010
Δy ( λ ) = - ( n ( λ ) - one ) ( y ( λ one ) - y ( λ 2 ) ) ( n ( λ 2 ) - n ( λ one ) ) M ,
Figure 00000011

where n (λ), n (λ 1 ), n (λ 2 ) are the refractive indices of the air path at the measurement wavelength and in the selected spectral ranges, respectively;
(x (λ 1 ), y (λ 1 )), (x (λ 2 ), y (λ 2 )) are the coordinates of the center of the irradiation distribution in the label image in the selected spectral ranges;
M is the coefficient of conversion of coordinates from the space of images into the space of objects;
from the obtained coordinate values of the spatial position of the control marks in the instrument coordinate system, the value of the refractive error is subtracted.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно фиксируют распределение фоновой облученности, не содержащее облученности от контрольных меток, сравнивая которое с полученным ранее в том же спектральном диапазоне распределением облученности, выявляют различающиеся области, которые принимают за изображения меток, по которым определяют координаты пространственного положения контрольных меток в ПСК.2. The method according to claim 1, characterized in that it further fixes the distribution of background irradiation that does not contain irradiation from the control marks, comparing which with the distribution of irradiation obtained earlier in the same spectral range, identify different areas that are taken for the image of the marks over which determine the coordinates of the spatial position of the control marks in the UCS. 3. Устройство измерения пространственного положения объекта, включающее не менее одной контрольной метки, выполненной в виде не менее одного точечного излучателя, размещаемого на контролируемом объекте, фотоприемное устройство, оптически сопряженное с контрольной меткой, содержащее оптическую систему, в фокальной плоскости которой расположен фотоприемник, выход которого соединен с входом блока обработки, и блок управления метками, вход которого соединен с первым выходом блока обработки, отличающееся тем, что по крайней мере один точечный излучатель одной контрольной метки выполнен в виде излучателя белого цвета, а фотоприемное устройство содержит не менее одного фотоприемника, выполненного в виде матричного приемника оптического излучения, на каждый пространственный элемент которого нанесен светофильтр одного из по крайней мере двух различных спектральных диапазонов. 3. A device for measuring the spatial position of an object, including at least one reference mark made in the form of at least one point emitter placed on a controlled object, a photodetector optically coupled to a control mark, containing an optical system in which the photodetector is located in the focal plane, output which is connected to the input of the processing unit, and the label control unit, the input of which is connected to the first output of the processing unit, characterized in that at least one point The emitter of one control mark is made in the form of a white emitter, and the photodetector contains at least one photodetector, made in the form of a matrix detector of optical radiation, on each spatial element of which a filter of one of at least two different spectral ranges is applied.
RU2011134657/28A 2011-08-18 2011-08-18 Method of determining spatial position of object and apparatus for implementing said method RU2492420C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011134657/28A RU2492420C2 (en) 2011-08-18 2011-08-18 Method of determining spatial position of object and apparatus for implementing said method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011134657/28A RU2492420C2 (en) 2011-08-18 2011-08-18 Method of determining spatial position of object and apparatus for implementing said method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011134657A RU2011134657A (en) 2013-02-27
RU2492420C2 true RU2492420C2 (en) 2013-09-10

Family

ID=49119932

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011134657/28A RU2492420C2 (en) 2011-08-18 2011-08-18 Method of determining spatial position of object and apparatus for implementing said method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2492420C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2535247C1 (en) * 2013-06-19 2014-12-10 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации Method and device to measure angular coordinates of stars
RU2814851C1 (en) * 2023-01-19 2024-03-05 Акционерное общество "Дельта Метрикс" Method for remote monitoring of vertical and horizontal displacement of vertical steel tank foundation

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1254292A1 (en) * 1984-06-04 1986-08-30 Shangin Evgenij S Method of checking profile of curvilinear surfaces
WO2001088470A1 (en) * 2000-05-17 2001-11-22 Unisensor Aps Measurement system and method for measuring angles and distances
JP2004361222A (en) * 2003-06-04 2004-12-24 Mitsubishi Electric Corp System and method for measuring three-dimensional position
JP2007051910A (en) * 2005-08-17 2007-03-01 Kajima Corp Positioning method and marking method or method for measuring three-dimensional coordinates using laser light

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1254292A1 (en) * 1984-06-04 1986-08-30 Shangin Evgenij S Method of checking profile of curvilinear surfaces
WO2001088470A1 (en) * 2000-05-17 2001-11-22 Unisensor Aps Measurement system and method for measuring angles and distances
JP2004361222A (en) * 2003-06-04 2004-12-24 Mitsubishi Electric Corp System and method for measuring three-dimensional position
JP2007051910A (en) * 2005-08-17 2007-03-01 Kajima Corp Positioning method and marking method or method for measuring three-dimensional coordinates using laser light

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2535247C1 (en) * 2013-06-19 2014-12-10 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации Method and device to measure angular coordinates of stars
RU2814851C1 (en) * 2023-01-19 2024-03-05 Акционерное общество "Дельта Метрикс" Method for remote monitoring of vertical and horizontal displacement of vertical steel tank foundation

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011134657A (en) 2013-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2752681A1 (en) Laser detection and warning system
US9720087B2 (en) Method and device for determining an orientation of an object
KR20170136130A (en) System for measuring bridge deflection
US20190154818A1 (en) Method for Operating a Laser Distance Measuring Device
CH709876B1 (en) Geodesy tool.
CH709874B1 (en) Geodesy tool.
US10109074B2 (en) Method and system for inertial measurement having image processing unit for determining at least one parameter associated with at least one feature in consecutive images
KR100935898B1 (en) Automatic displacement detecting apparatus and method, and slop maintenance and management system and method using the same
JP2018025474A (en) Light flight type distance measuring device and abnormality detection method of light flight type distance
CN101581580A (en) Spatial digitalized method and spatial digitalized device for land measurement
RU2492420C2 (en) Method of determining spatial position of object and apparatus for implementing said method
US11341673B2 (en) Infrared image processing method, infrared image processing device, and infrared image processing program
KR102462230B1 (en) Unmmaned aerial vehicle and operating method thereof
KR102390457B1 (en) Inspection apparatus of lidar alignment error using camera and the method thereof
US20150035974A1 (en) Combined imager and range finder
CN102661746A (en) Sensor main mounting boxes and passive optical sensor
RU2387561C1 (en) Opto-electronic system for monitoring spatial position of railway track
KR102008442B1 (en) Apparatus for altering fine dust
JP5850225B2 (en) Marker detection method and apparatus
EP3015839A1 (en) Laser pointing system for monitoring stability of structures
KR101104722B1 (en) Method for measuring displacement and angular displacement of a Structure
Rodriguez-Cuevas et al. Safe and private pedestrian detection by a low-cost fiber-optic specklegram
JP7284979B2 (en) Positioning system and related methods
RU2692059C1 (en) Heat direction finder
EP4372419A1 (en) Object detection device and object detection method