RU2809177C1 - Способ применения роботизированного тахеометра и беспилотного летательного аппарата для определения координат наземного объекта - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при проведении геодезических измерений. Сущность заявленного способа определения координат наземного объекта заключается в следующем. Координаты наземного объекта определяются с помощью роботизированного тахеометра и беспилотного летательного аппарата (БПЛА), на гиростабилизированной платформе которого закреплены визирная цель (ВЦ), приёмопередатчик, видеокамера, лазерный дальномер, таким образом, чтобы оптическая ось видеокамеры и луч лазерного дальномера были направлены вертикально вниз. Осуществляется зависание БПЛА над наземным объектом, возвышение над которым определяется лазерным дальномером. При этом ВЦ отслеживается при помощи роботизированного тахеометра, снабжённого видеокамерой и подсистемой отслеживания и обнаружения, по визуальным признакам ВЦ, а именно: цвету, форме, частоте мигания источника электромагнитного излучения в видимой области. Полученное видеокамерой тахеометра изображение ВЦ проходит цифровую обработку. В результате по измеренным с помощью тахеометра значениям дальности, зенитному и азимутальному углам ВЦ, а также измеренному с помощью лазерного дальномера возвышению над наземным объектом, вычисляются координаты наземного объекта. Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленного изобретения, является повышение оперативности и достоверности определения координат наземных объектов. 2 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для топографо-геодезических работ при проведении геодезических измерений, инвентаризации и межевании, землеустроительных и кадастровых работ с помощью роботизированного тахеометра и беспилотного летательного аппарата (БПЛА), с прикрепленной к нему визирной целью (ВЦ).

Известен способ определения координат наземных объектов при фотосъемке с БПЛА [1]. На БПЛА устанавливают бортовой модуль спутниковой навигации, инерциальный модуль угловой ориентации, цифровую фотокамеру, модуль передачи данных и модуль синхронизации. С помощью бортовых модулей определяются координаты, путевой угол и высота БПЛА. По значениям координат и путевого угла аппарата, длины диагонали участка и угла между диагональю и продольной осью аппарата вычисляют координаты вершин фотографируемого участка, по значениям которых выполняют совмещение фотоснимка с соответствующим участком встроенной в вычислительный модуль цифровой карты местности. Координаты наземных объектов определяют путем считывания с цифровой карты координат центров их изображений на совмещенном с картой фотоснимке.

Недостатком этого способа является снижение точности измерений в зонах неуверенного приема спутникового сигнала, а также на большом удалении от референцной станции, передающей поправки к измеренным координатам точки съемки.

Также известно геодезическое устройство - роботизированный тахеометр с функцией автоматического слежения за целью [2], который включает в себя видеокамеру и подсистему распознавания образов, предназначенную для автоматического определения азимутального угла, на который нужно направить лазер на тахеометре для повторного захвата цели. Видеокамера записывает изображения, которые сканируют интересующую область поиска, а подсистема распознавания образов обрабатывает эти изображения, чтобы определить местонахождение цели на одном или нескольких изображениях в виде заранее определенного шаблона пикселей, основанного на отличительной характеристике цели, такой как форма цели, цвет цели, маркировка, присутствующая на цели, и т.п.Подсистема вычисляет зенитный и азимутальный углы цели, исходя из положения цели на изображениях. Затем с помощью роботизированного тахеометра определяется глобальное положение цели, используя вычисленное относительное положение цели и известное глобальное положение этого тахеометра.

Недостатком данного роботизированного тахеометра является низкая вероятность обнаружения ВЦ по одному визуальному признаку. Для достоверной регистрации ВЦ необходимо обеспечить ее обнаружение с вероятностью не менее 0,95 [3]. Поскольку в поле зрения видеокамеры может одновременно находится большое количество объектов, то вероятность обнаружения среди них ВЦ по одному визуальному признаку будет ниже указанного значения. Основной причиной, влияющей на вероятность обнаружения цели, является ее недостаточная освещенность. При значительной удаленности цели или в условиях недостаточной видимости визуальные признаки ВЦ становятся менее явными, что препятствует ее обнаружению.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является принятый за прототип способ тахеометрической съемки [4] для определения координат требуемой точки на поверхности земли с помощью ВЦ, устанавливаемой на телескопической вехе в данной точке. Недостатком данного способа измерения координат точки на поверхности земли с помощью роботизированного тахеометра является ограниченная длина рейки и штатива, на которой установлен роботизированный тахеометр, что не позволяет проводить измерения за высотными сооружениями (здания, забор) или на местности с рельефом, характеризующимся большими перепадами высот (холмы, овраги). Еще одним недостатком является необходимость перемещать рейку в зоне проведения измерений вручную, что снижает скорость измерений и увеличивает трудоемкость их проведения.

Задача изобретения - повысить оперативность и достоверность определения координат наземных объектов, находящихся вне зоны прямой оптической видимости роботизированного тахеометра.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе применяются роботизированный тахеометр и БПЛА к которому на гиростабилизированной платформе крепятся ВЦ, видеокамера с передатчиком видеосигнала по радиоканалу и дальномер, таким образом, чтобы оптическая ось видеокамеры и луч лазерного дальномера имели вертикальное направление во время полета БПЛА. Оператор с помощью пульта дистанционного управления БПЛА и радиоприемного устройства, воспроизводящего видеосигнал с видеокамеры, установленной на БПЛА, осуществляет управление БПЛА, визуально обнаруживает наземный объект и выполняет зависание БПЛА над этим объектом. При этом отслеживание и наведение на ВЦ, прикрепленную к БПЛА, производится роботизированным тахеометром автоматически в режиме реального времени. Возвышение БПЛА над наземным объектом определяется с помощью лазерного дальномера. По измеренным с помощью роботизированного тахеометра дальности, зенитному и азимутальному углам ВЦ, а также измеренному с помощью лазерного дальномера возвышению БПЛА над наземным объектом, вычисляются координаты этого объекта из системы уравнений:

где r₀ - дальность ВЦ;

ϕ₀, θ₀ - азимутальный и зенитный углы ВЦ;

h - возвышение БПЛА над наземным объектом.

Свойство, появляющееся у заявляемого способа - это возможность измерения координат наземных объектов, находящихся вне зоны прямой оптической видимости роботизированного тахеометра.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:

фиг. 1 - принципиальная схема измерения координат наземного объекта с помощью роботизированного тахеометра и БПЛА;

фиг. 2 - сферическая система координат роботизированного тахеометра.

Заявленный способ применения роботизированного тахеометра и БПЛА для определения координат наземного объекта осуществляется следующим образом (фиг. 1).

Роботизированный тахеометр 1 включает в свой состав видеокамеру (на фигуре не обозначено), а также подсистему для обнаружения и слежения за ВЦ (на фигуре не обозначено). Цифровая обработка полученного видеоизображения осуществляется с помощью специального программного обеспечения в соответствии с заданным алгоритмом работы.

Для обнаружения ВЦ 2 каждый кадр формируемого видеоизображения сегментируется на изолированные по цвету области, состоящие из связанных друг с другом пикселов, цвет которых находится в одном цветовом диапазоне. Алгоритм поиска связанных областей заключается в построчном сканировании изображения и поиске связей между пикселами с использованием заданного порогового коэффициента, определяющего максимально возможное расхождение в значениях их компонентов цвета.

Изображения на кадрах представляются в виде совокупности различных сегментов отличающихся визуально друг от друга по цвету. Цвет каждого сегмента ограничен некоторым диапазоном значений компонентов цвета. В качестве модели представления цвета используется цветовое пространство RGB, в котором цвет может быть задан с помощью трехкомпонентного произвольного вектора представляющего собой сочетание красного (R), зеленого (G) и синего (В) компонентов цвета, в диапазоне 256 градаций цвета:

В процессе цифровой обработки изображения на отдельном кадре выделяется множество пикселов принадлежащих ВЦ 2, компоненты цвета которой [Θ_R,Θ_G,Θ_B] ограничены минимальными и максимальными значениями в занимаемой части пространства RGB:

При этом граничные значения компонентов цвета, определяются диапазоном цветопередачи видеокамеры и могут варьироваться в широких пределах в зависимости от условий проведения видеосъемки: освещенность, ракурс съемки, дальность, цвет и форма ВЦ 2.

Первое условие принадлежности пиксела к области ВЦ 2 на изображении задается выражением:

где k - установленный пороговый коэффициент.

Если обнаруживается пиксель, который одновременно может быть связан с несколькими пикселями из разных областей, то эти области объединяются. Поскольку границы между областями объектов иногда размыты, то области могут быть объединены ошибочно. Чтобы не допустить этого, при проверке пиксела на принадлежность к какой-либо области, отклонение значений его компонентов цвета от средних значений по всей области не должно превышать установленного порогового коэффициента. Соответственно, второе условие принадлежности пиксела к сегменту на изображении задается выражением:

В результате изображение сегментируется на множество областей, принадлежащих различным объектам. Если известны диапазоны цветопередачи видеокамеры и значения компонентов цвета ВЦ 2, то можно обнаружить ее на видеоизображении, используя визуальный признак цвета. Поскольку в поле зрения видеокамеры одновременно попадает большое количество объектов, то обнаружить среди них ВЦ 2 по цвету достаточно сложно. При значительной удаленности ВЦ 2 или в условиях недостаточной видимости этот признак становится менее явным, что препятствует ее обнаружению.

Для увеличения вероятности обнаружения ВЦ 2 на видеоизображении дополнительно используется визуальный признак формы ВЦ 2. На изображении ВЦ 2 имеет форму окружности. Контур ВЦ 2 на изображении выделяется путем нахождения максимальных значений лапласиан:

при условии,

где k - пороговый коэффициент изменения цвета.

Полученные участки контура аппроксимируются окружностью по методу наименьших квадратов. Оценка формы визирной цели на изображении производится путем определения стандартного отклонения контура визирной цели от формы аппроксимирующей окружности на основании смещенной оценки дисперсии точек контура по формуле:

Стандартное отклонение формы контура ВЦ 2 варьируется в зависимости от ее дальности, поэтому этот признак также не обеспечивает высокую вероятность обнаружения ВЦ 2. Основной причиной, влияющей на вероятность обнаружения ВЦ 2, является ее недостаточная освещенность. Данная проблема устраняется путем установки в ВЦ 2 источника электромагнитного излучения в видимом диапазоне света. В этом случае в качестве дополнительного признака выступает частота мигания данного источника. Из теоремы Котельникова следует, что определение частоты мигания источника света возможно, если кадровая частота видеоизображения будет превышать частоту мигания в два и более раза. Для обнаружения ВЦ 2 используется векторная функция разности по двум последовательно сделанным кадрам видеоизображения:

где - кадровая частота видеоизображения;

k - пороговый коэффициент изменения яркости пиксела на изображении;

b_i(х, у), b_i+1(x, у) - яркость пиксела на двух последовательных кадрах.

При этом значения векторной функции ежесекундно обнуляются. За этот промежуток времени с помощью векторной функции определяется количество пороговых разностей яркости пикселов на видеоизображении. Перед обнулением функции фиксируются только те координаты пикселов на изображении, для которых значения функции совпадают с заданной частотой мигания ВЦ 2. Данный визуальный признак позволяет с высокой вероятностью обнаруживать ВЦ 2 оптико-электронным устройством даже в условиях недостаточной видимости. Вероятность обнаружения ВЦ 2 на видеоизображении по трем визуальным признакам (цвет, форма и частота мигания) достигает 99,6%.

После обнаружения ВЦ 2, прикрепленной к БПЛА 3, роботизированный тахеометр 1 автоматически отслеживает ее перемещения и определяет координаты (r₀, θ₀, ϕ₀) в режиме реального времени (фиг. 2). Затем оператор с помощью видеокамеры 4 выполняет зависание БПЛА 3 над наземным объектом 5. Далее посредством радиотелеметрической системы передаются результаты измерений лазерным дальномером 6, прикрепленным к БПЛА 3, и определяется возвышение БПЛА 3 над наземным объектом 5. За начало координат принимается текущее местоположение роботизированного тахеометра 1. Координаты наземного объекта 5 вычисляются из следующей системы уравнений:

где r₀ - дальность ВЦ;

ϕ₀, θ₀ - азимутальный и зенитный углы ВЦ;

h - возвышение БПЛА над наземным объектом.

Для перевода координат наземного объекта 5 из системы координат роботизированного тахеометра 1 в геоцентрическую систему координат необходимо определить глобальные координаты роботизированного тахеометра 1 с помощью приемника сигналов глобальной навигационной спутниковой системы (на фигуре не обозначено).

Источники информации

1. Патент на изобретение Российской Федерации №2726902 С1 «Способ определения координат наземных объектов при фотосъемке с беспилотного летательного аппарата», приоритет от 21.01.2020, МПК G01C 11/02. Авторы: А.Ю. Каплин, М.Г. Степанов, опубликовано: 16.07.2020, бюл. №20; заявитель Открытое акционерное общество "РАДИОАВИОНИКА".

2. Патент US 2014/0267772 А1 Соединенные Штаты Америки, № РСТ/СА 2014/050250 "Robotic Total Station with Image-based Target Re-acquisition» от 15.03.2013: МПК H04N 5/232. / K. Morin, G. Gao; опубликовано: 18.09.2014; заявитель NOVATEL INC.

3. Бокшанский В.Б., Бондаренко Д.А., Вязовых M.B. [и др.] Лазерные приборы и методы измерения дальности: учеб. пособие. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. - 92 с.

4. Большаков В.Д., Левчук Г.П. Справочник геодезиста. В 2-х книгах. Кн. 2 / 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1985. - 440 с.

Claims (5)

1. Способ определения координат наземного объекта, заключающийся в применении роботизированного тахеометра, оснащённого видеокамерой и подсистемой для обнаружения и слежения за визирной целью, а также беспилотного летательного аппарата, на гиростабилизированной платформе которого закреплены визирная цель, приемопередатчик, видеокамера, лазерный дальномер, таким образом, чтобы оптическая ось видеокамеры и луч лазерного дальномера были направлены вертикально вниз, при этом осуществляется зависание беспилотного летательного аппарата над наземным объектом и с помощью лазерного дальномера определяется возвышение над наземным объектом, отслеживание визирной цели роботизированным тахеометром производится по ее визуальным признакам: цвету, форме, частоте мигания установленного в визирную цель источника электромагнитного излучения в видимом диапазоне света, затем проводится цифровая обработка полученного видеокамерой тахеометра изображения, в результате которой по измеренным с помощью роботизированного тахеометра значениям дальности, зенитному и азимутальному углам визирной цели, а также измеренному с помощью лазерного дальномера возвышению над наземным объектом, вычисляются координаты наземного объекта из системы уравнений:
3. где r₀ - дальность визирной цели;
4. ϕ₀, θ₀ - азимутальный и зенитный углы визирной цели;
5. h - возвышение беспилотного летательного аппарата над наземным объектом.