Способ определения расстояния до границ объекта

Способ определения расстояния до границ объекта включает измерение размера изображения в плоскости изображений оптического прибора со светочувствительной матрицей, осуществление перемещения прибора вдоль его линии визирования по направлению к объекту или от него на фиксированное расстояние, вновь измерение размера изображения объекта. Аналоговый сигнал от матрицы преобразуют в цифровой, размер изображения определяют в пикселях матрицы, результаты запоминают и используют для определения углов обзора границ объекта относительно линии визирования до и после перемещения прибора и расстояний до дальней Dd и ближней Db, границы объекта по формулам

где α1 и α2 - углы обзора ближней и дальней границы объекта до перемещения прибора в одной плоскости, град.; β1 и β2 - углы обзора ближней и дальней границы объекта после перемещения прибора в той же плоскости, град.; N1 и N1t - максимальные линейные размеры изображения объекта выше линии визирования до и после перемещения прибора соответственно, пиксель; N2 и N2t - максимальные линейные размеры изображения объекта ниже линии визирования до и после перемещения прибора, пиксель; N0 - разрешающая способность светочувствительной матрицы по горизонтальной или вертикальной координате, пиксель; γ - угол обзора прибора со светочувствительной матрицей по горизонтальной или вертикальной координате, град.; St - фиксированное расстояние, на которое осуществляют перемещение прибора вдоль его линии визирования, м. Технический результат – возможность определения расстояния до границ объекта в случаях, если он расположен несимметрично и не перпендикулярно линии визирования и имеет ближнюю и дальнюю границы, и определения углов между линией визирования и границами объекта. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению расстояний по линии визирования путем фокусирования, и может быть использовано для определения расстояния от перемещающегося измерительного устройства до границ неподвижного объекта, например, с целью избегания столкновения с ним.

Известен способ определения расстояния до объекта, основанный на методе триангуляции [Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. «Фейнмановские лекции по физике», Том 1, - С. 94], включающий использование одновременных снимков объекта двумя камерами с известным расстоянием между ними, измерение углов между прямой линией, связывающей камеры и линиями визирования объекта и определение расстояния до объекта по известной геометрической формуле.

Недостатками этого способа является использование двух камер наблюдения, разнесенных на определенное расстояние, и необходимость вращения камер и измерения указанных углов.

Известен моностатический способ определения расстояния до объекта [RU 2340872 С1, МПК G01C 3/32 (2006.01), опубл. 10.12.2008], при котором дважды измеряют размер изображения объекта в плоскости изображения фотоприемника, причем изображения объекта получают разными по масштабу посредством перестройки оптической системы фотоприемника, которая имеет два известных фокусных расстояния. Затем определяют расстояние D до объекта по формуле

где и - граничные фокусные расстояния оптической системы;

и - размеры изображения объекта при и соответственно.

Этот способ требует неподвижности фотоприемника и не позволяет достоверно измерить расстояние во время его перемещения. Кроме этого, если объект имеет несимметричные границы, этот способ не позволяет определить расстояние до ближней и дальней границы объекта и дает только некоторое усредненное значение расстояния до объекта.

Известен способ определения расстояния до объекта при помощи оптического прибора [RU 2095756 С1, МПК G01C 3/32 (1995.01), опубл. 10.11.1997], выбранный в качестве прототипа, при котором измеряют размер изображения в плоскости изображений оптического прибора, осуществляют перемещение оптического прибора вдоль его линии визирования по направлению к объекту или от него на фиксированное расстояние, вновь измеряют размер изображения объекта и определяют расстояние D до объекта по формуле

где N0 - размер изображения объекта до перемещения;

Nt - размер изображения объекта после перемещения;

St - фиксированное расстояние, на которое переместили оптический прибор.

Такой способ позволяет определить только расстояние до объекта по линии визирования оптического прибора, но если объект имеет несимметричные границы, то невозможно определить расстояние до ближней и дальней границы объекта за одно измерение.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание способа определения расстояния до границ объекта.

Предложенный способ определения расстояния до границ объекта, также как в прототипе, включает измерение размера изображения в плоскости изображений оптического прибора, перемещение оптического прибора вдоль его линии визирования по направлению к объекту или от него на фиксированное расстояние и вновь измерение размера изображения объекта.

Согласно изобретению, используют оптический прибор со светочувствительной матрицей, аналоговый сигнал от которой преобразуют в цифровой, размер изображения определяют в пикселях светочувствительной матрицы, результаты запоминают и используют для определения углов обзора границ объекта относительно линии визирования до и после перемещения оптического прибора и расстояний до дальней Dd и ближней Db границы объекта по формулам

где α1 и α2 - углы обзора ближней и дальней границы объекта до перемещения оптического прибора в одной плоскости, град.;

β1 и β2 - углы обзора ближней и дальней границы объекта после перемещения оптического прибора в той же плоскости, град.;

N1 и N1t - максимальные линейные размеры изображения объекта выше линии визирования до и после перемещения оптического прибора соответственно, пиксель;

N2 и N2t, - максимальные линейные размеры изображения объекта ниже линии визирования до и после перемещения оптического прибора, пиксель;

N0 - разрешающая способность светочувствительной матрицы по горизонтальной или вертикальной координате, пиксель;

γ - угол обзора оптического прибора со светочувствительной матрицей по горизонтальной или вертикальной координате, град.;

St - фиксированное расстояние, на которое осуществляют перемещение оптического прибора вдоль его линии визирования, м.

Если наблюдаемый объект расположен несимметрично и не перпендикулярно линии визирования, как видно из фиг. 1, то он имеет ближнюю и дальнюю границы от точки наблюдения. В задаче избегания столкновений с препятствиями, например, для беспилотных летательных аппаратов, важно, чтобы оптический прибор позволял получать именно эту информацию, а не только некоторое «среднее» расстояние до объекта по линии визирования оптического прибора. Для этого необходимо знать углы обзора границ объекта, как видно из формул (3) и (4), которые получены из следующих соотношений в обозначениях, представленных на фиг. 1:

СЕ=С'Е'=tgα2⋅АЕ=tgβ2⋅А'Е'=tgβ2⋅(AЕ-St),

BD=B'D'=tgα1⋅AD=tgβ1⋅A'D'=tgβ1⋅(AD-St),

Предложенный способ включает неочевидную операцию определения углов обзора границ объекта. Эта операция возможна при использовании в оптическом приборе светочувствительной матрицы с известной разрешающей способностью и размером, а оптический прибор при этом имеет известный угол обзора.

Таким образом, достигается технический результат, который заключается в определении расстояния до границ объекта, в том числе, если он расположен несимметрично и не перпендикулярно линии визирования и имеет ближнюю и дальнюю границы, а также в определении углов между линией визирования и границами объекта.

На фиг. 1 представлено взаимное расположение оптического прибора и наблюдаемого объекта, где а) - в момент t0 до перемещения оптического прибора, б) - в момент t после перемещения оптического прибора на фиксированное расстояние St.

На фиг. 2 представлена схема реализации способа определения расстояния до границ объекта.

Способ определения расстояния до границ объекта может быть реализован с помощью оптического прибора 1 (ОП) со светочувствительной матрицей 2, на которой фокусируют изображение объекта 3. Выход светочувствительной матрицы 2 соединен с входом аналогово-цифрового преобразователя 4 (АЦП), выход которого подключен к входу блока выделения контура 5 (БВК), выход которого соединен со входом блока определения линейных размеров контура 6 (БЛР), выход которого соединен со входом блока памяти 7 (БП), выход которого подключен к блоку определения углов обзора объекта и расстояний до его ближней и дальней границы 8 (БУР). Управляющие входы оптического прибора 1 (ОП), аналогово-цифрового преобразователя 4 (АЦП), блока выделения контура 5 (БВК), блока определения линейных размеров контура 6 (БЛР), блока памяти 7 (БП), блока определения углов обзора объекта и расстояний до его ближней и дальней границы 8 (БУР) соединены с выходами управляющего устройства 9 (УУ). К выходу блока определения углов обзора объекта и расстояний до его ближней и дальней границы 8 (БУР) через соответствующие преобразователи может быть подключен индикатор для отображения определенных углов и расстояний или радиоканал для передачи данных удаленному оператору.

Оптическим прибором 1 (ОП) является любая управляемая фотовидеокамера со светочувствительной матрицей. В качестве аналогово-цифрового преобразователя 4 (АЦП) и блока памяти 7 (БП) использованы микросхемы, выпускаемые серийно. Блок выделения контура 5 (БВК) реализован с помощью микросхем дифференцирования цифрового представления изображения и компараторов для сравнения результатов дифференцирования с заданным порогом. Блок выделения линейных размеров контура 6 (БЛР) реализован с помощью схемы поиска максимального расстояния между координатами контура, расположенными на одной вертикальной или горизонтальной координате. Блок определения углов обзора объекта 3 и расстояний до его ближней и дальней границы 8 (БУР) реализован с помощью схем умножения, деления, вычитания и вычисления тригонометрических функций. Управляющее устройство 9 (УУ) реализовано на микропроцессоре, выпускаемом серийно, и устройствах согласования выходных сигналов микропроцессора с управляющими входами всех перечисленных блоков.

Предварительно в блок памяти 7 (БП) заносят значение разрешающей способности в пикселях светочувствительной матрицы 2 (по горизонтальной и вертикальной координате), угол обзора оптического прибора 1 (ОП) и фиксированное расстояние St на которое будут перемещать оптический прибор 1 (ОП).

Разрешающая способность, размер матрицы и углы обзора по двум координатам входят в состав технических характеристик современных фото- и видеокамер со светочувствительными матрицами. При разных фокусных расстояниях объектива углы обзора камеры разные даже при одинаковой светочувствительной матрице. В технических характеристиках указывают максимальный угол обзора камеры. Поэтому реальный угол обзора камеры целесообразно измерить экспериментально, сделав снимки размеченных по горизонтали и вертикали линеек на плоскости, перпендикулярной линии визирования. Например, светочувствительная матрица оптического прибора позволяет делать снимки 600×800 пикселей (разрешающая способность по вертикальной и горизонтальной координатам). С помощью этого оптического прибора предварительно снимают размеченные по горизонтали и вертикали линейки, расположенные на известном расстоянии до центра оптического прибора по линии визирования, например 5 м. Затем по снимку размеченных линеек определяют, какой линейный размер точно помещается в кадр, например 3×4 м. По этим числам определяют углы обзора камеры γверт и γгориз по вертикальной и горизонтальной координатам:

Соответственно 1 пиксель по вертикальной координате имеет угловое разрешение 61,9/600=0,103°, а по горизонтальной координате 77,3/800=0,096°.

При определении расстояния до границ объекта 3, например, до рекламного щита (фиг. 1) в начальный момент времени t0 по сигналу с управляющего устройства 9 (УУ) произвели снимок объекта 3 с помощью оптического прибора 1 (ОП) со светочувствительной матрицей 2, аналоговый сигнал с которой с помощью аналого-цифрового преобразователя 4 (АЦП) преобразовали в цифровой. С помощью блока выделения контура 5 (БВК) выделили контур объекта 3. Определили максимальный горизонтальный размер изображения объекта 3 в пикселях с помощью блока выделения линейных размеров контура 6 (БЛР). Результаты N1=100 и N2=100 (размеры изображения объекта 3 в пикселях левее и правее центра кадра) занесли в блок памяти 7 (БП).

По сигналу с управляющего устройства 9 (УУ) переместили оптический прибор 1 (ОП) на фиксированное расстояние St=1 м вдоль его линии визирования по направлению к объекту и произвели второй снимок объекта 3 в момент t. Полученный аналоговый сигнал со светочувствительной матрицы 2 с помощью аналого-цифрового преобразователя 4 (АЦП) преобразовали в цифровой. С помощью блока выделения контура 5 (БВК) выделили контур объекта 3 и определили максимальный размер изображения объекта в пикселях по той же координате с помощью блока выделения линейных размеров контура 6 (БЛР). Результаты N1t=130 и N2t=115 (размеры изображения объекта 3 в пикселях левее и правее центра кадра) занесли в блок памяти 7 (БП).

По сигналу с управляющего устройства 9 (УУ) блок определения углов обзора объекта 3 и расстояний до его ближней и дальней границы 8 (БУР) считывал из блока памяти 7 (БП) записанные данные (N1, N2, N1t, N2t, N0, St γ) и по формулам (3) и (4) определил углы обзора границ объекта 3 и расстояние до них от места расположения оптического прибора 1 (ОП): в момент t:

Полученные результаты передали на выход устройства.

Очевидно, что расстояние до объекта, определенное по формуле (2) способа-прототипа (200/(130+115-200))*1=4,44 м, является некоторым «усредненным» расстоянием до объекта и в задаче избегания столкновений такой информации недостаточно, поскольку одна из границ объекта находится существенно ближе (более чем на 30%).

Аналогично определяют расстояния до границ объекта 3 по вертикальной координате.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определять расстояния до границ объекта в том числе, если он расположен несимметрично и не перпендикулярно линии визирования и имеет ближнюю и дальнюю границы, а также определять углы между линией визирования и границами объекта, что позволяет более точно решать задачу избегания столкновений, например, беспилотных движущихся аппаратов с препятствиями.

Способ определения расстояния до границ объекта, включающий измерение размера изображения в плоскости изображений оптического прибора, перемещение оптического прибора вдоль его линии визирования по направлению к объекту или от него на фиксированное расстояние, вновь измерение размера изображения объекта, отличающийся тем, что используют оптический прибор со светочувствительной матрицей, аналоговый сигнал от которой преобразуют в цифровой, размер изображения определяют в пикселях светочувствительной матрицы, результаты запоминают и используют для определения углов обзора границ объекта относительно линии визирования до и после перемещения оптического прибора и расстояний до дальней Dd и ближней Db границы объекта по формулам

где α1 и α2 - углы обзора ближней и дальней границы объекта до перемещения оптического прибора в одной плоскости, град.;

β1 и β2 - углы обзора ближней и дальней границы объекта после перемещения оптического прибора в той же плоскости, град.;

N1 и N1t - максимальные линейные размеры изображения объекта выше линии визирования до и после перемещения оптического прибора соответственно, пиксель;

N2 и N2t - максимальные линейные размеры изображения объекта ниже линии визирования до и после перемещения оптического прибора, пиксель;

N0 - разрешающая способность светочувствительной матрицы по горизонтальной или вертикальной координате, пиксель;

γ - угол обзора оптического прибора со светочувствительной матрицей по горизонтальной или вертикальной координате, град.;

St - фиксированное расстояние, на которое осуществляют перемещение оптического прибора вдоль его линии визирования, м.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах слежения и регистрации объектов и позволяет получать информацию о расстоянии до объектов с неизвестными линейными размерами, а также информацию о направлении и скорости их движения.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах, технического зрения, предназначенных для определения расстояния от перемещающегося объекта до неподвижных объектов.

Группа изобретений относится к проекционной технике. Лазерный прибор для проецирования структурированной картины освещения на сцену сформирован из нескольких матриц лазеров VCSEL, причём каждая матрица расположена на отдельном кристалле VCSEL и содержит нерегулярное распределение излучающих областей полупроводниковых лазеров.

Группа изобретений относится к способу измерения геометрических параметров электросварных труб различного диаметра и системе для измерения геометрических параметров электросварных труб.

Изобретение относится к области лесопользования, в частности к определению состояния деревьев в лесных массивах. Устройство для выполнения измерений в группе деревьев содержит беспилотное воздушное транспортное средство (236), датчиковую систему (306), связанную с беспилотным воздушным транспортным средством (236), управляющее устройство (310).

Система управления направлением движения транспортного средства включает в себя два отдельных устройства привязки; лазерное сканирующее устройство, выполненное с возможностью испускать сигналы лазерного луча и сканировать секторную область лазерным лучом, с тем чтобы измерять расстояние по прямой соединительной линии для соединения лазерного сканирующего устройства с любым из по меньшей мере двух отдельных устройств привязки и угол между соответствующей прямой соединительной линией и корпусом транспортного средства у транспортного средства или угол между прямыми соединительными линиями; процессор, выполненный с возможностью обрабатывать и сохранять данные и определять, является или нет ориентация корпуса транспортного средства в реальном времени отклоняющейся от начальной ориентации корпуса транспортного средства сразу после того, как система начинает работать, в соответствии с результатами, считанными лазерным сканирующим устройством.

Изобретение относится к точной механике и может быть использовано для контроля качества изготовления изделий; оцифровки созданного вручную дизайн-макета изделия, как основы для дальнейшей проработки; представления удаленных экспертов результатов разрушающих испытаний, последствий аварий и катастроф, воздействий взрывов; визуализации участков местности с естественными формами рельефа; криминалистов, археологов.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для оптического бесконтактного измерения профиля поверхности, и может быть использовано для измерения параметров неровности, шероховатости поверхности, например дорожного покрытия, поверхности металлов и изделий сложной формы.

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для автоматического контроля размеров, шероховатости поверхности и температуры изделий. Технический результат – повышение точности измерений.

Изобретение относится к области обработки изображений. Технический результат – определение реального расстояния на основе изображения без сравнения с эталонным объектом, имеющимся в изображении.

Изобретение относится к области измерительной техники. Датчик угла поворота, выполненный в виде фотоэлектрического автоколлиматора, содержит объектив, в фокальной плоскости которого установлен матричный приемник излучения, выходом подключенный к электронному блоку, светоделитель, расположенный перед матричным приемником излучения, осветитель с источником света, предназначенный для подсветки сигнальной маски с прозрачным штрихом, установленной перед светоделителем в фокальной плоскости объектива, и двойное зеркало, представляющее собой контролируемый объект - призму БР-180°, обращенную прозрачной входной гранью к объективу.

Изобретение относится к области оптических измерений. Оптический способ измерения поля толщины прозрачной наледи на лопастях ветрогенератора заключается в освещении прозрачной наледи и фиксации видеокамерой изображения искаженного светового кольца, образованного на поверхности под наледью в результате полного внутреннего отражения света на границе раздела наледь-воздух.

Способ определения расстояния до границ объекта включает измерение размера изображения в плоскости изображений оптического прибора со светочувствительной матрицей, осуществление перемещения прибора вдоль его линии визирования по направлению к объекту или от него на фиксированное расстояние, вновь измерение размера изображения объекта. Аналоговый сигнал от матрицы преобразуют в цифровой, размер изображения определяют в пикселях матрицы, результаты запоминают и используют для определения углов обзора границ объекта относительно линии визирования до и после перемещения прибора и расстояний до дальней Dd и ближней Db, границы объекта по формулам где α1 и α2 - углы обзора ближней и дальней границы объекта до перемещения прибора в одной плоскости, град.; β1 и β2 - углы обзора ближней и дальней границы объекта после перемещения прибора в той же плоскости, град.; N1 и N1t - максимальные линейные размеры изображения объекта выше линии визирования до и после перемещения прибора соответственно, пиксель; N2 и N2t - максимальные линейные размеры изображения объекта ниже линии визирования до и после перемещения прибора, пиксель; N0 - разрешающая способность светочувствительной матрицы по горизонтальной или вертикальной координате, пиксель; γ - угол обзора прибора со светочувствительной матрицей по горизонтальной или вертикальной координате, град.; St - фиксированное расстояние, на которое осуществляют перемещение прибора вдоль его линии визирования, м. Технический результат – возможность определения расстояния до границ объекта в случаях, если он расположен несимметрично и не перпендикулярно линии визирования и имеет ближнюю и дальнюю границы, и определения углов между линией визирования и границами объекта. 2 ил.

Наверх