СТЕРЕОСКОПИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ И СУДОВОЙ ДАЛЬНОМЕР-ПЕЛЕНГАТОР Российский патент 2012 года по МПК G01C3/02 G01S17/06 

Изобретение относится к области определения взаимного положения объектов, один из которых служит источником электромагнитного излучения в оптическом диапазоне, а второй - его измерителем и может использоваться для создания оптических дальномеров, пеленгаторов, теодолитов, телескопов и другой оптической аппаратуры аналогичного назначения.

Известен фотограмметрический способ измерений отстояния объекта [1], выбранный в качестве аналога, включающий получение двух отображений объекта на плоскостях измерений, ортогональных оптическим осям, из двух точек пространства на известной базе, измерение координат отображений граничных точек объекта на осях плоскостных систем координат, определение расстояния до объекта, используя как опорный параметр расстояние от точки расположения оптического устройства до плоскости измерений.

Стереоскопический способ измерений отстояния объекта [1], выбранный в качестве прототипа, включает наведение оси наблюдений на объект, получение отображений объекта на плоскостях измерений, ортогональных оптическим осям, из центров двух идентичных оптических устройств, разнесенных на известной базе, проведение на плоскостях измерений через точки проекций оптических осей измерительных осей координат, параллельных базе, измерение положений граничных точек отображений объекта и вычисление расстояния до объекта, используя размер базы как опорный параметр.

Стереоскопический судовой дальномер [1], выбранный в качестве прототипа, состоит из двух параллельных оптических устройств, жестко установленных на базе, блока управления, механизма поворота базы по двум осям, системы переноса отображений на общую плоскость измерений и блока вычислений.

Стереоскопический способ определения отстояний объекта и стереоскопический дальномер, выбранные в качестве прототипа, имеют недостаточную точность и надежность, связанную с неучетом размеров объекта наблюдения и размеров измерителя. В стереоскопическом способе измерений модельное описание объектов (или их частей) и их измерителей выполняют в виде точки. При этом отстояние объекта от измерителя, состоящего из двух оптических устройств, разнесенных на известной базе, определяют по одной из двух формул [1-2]:

где L - отстояние (кратчайшее расстояние) от базы до объекта;

d - измерительная база измерителя;

α - параллактический угол,

S - площадь треугольника.

Недостаточно высокая точность известного стереоскопического способа измерения отстояний и реализующего его стереоскопического дальномера связана с тем, что пространство перед объектом отображается треугольником, а реально это трапеция, размеры которой зависят как от размеров объекта наблюдения, так и от размеров измерителя [2]. Относительная погрешность определения отстояния может быть оценена коэффициентом k при (D>d) по формуле [2]:

где D - размер объекта.

Так, например, при артиллерийской дуэли английского крейсера Белфаст и немецкого линкора Тирпиц эта погрешность составляла в зависимости от ориентации кораблей на дистанции 30 км от 300 м до 2000 м [3].

Целью заявляемого изобретения является повышение точности и надежности определения отстояний и размеров объекта по результатам стереоскопических измерений, а также создания устройства, обеспечивающего повышение качества использования зрительного навигационного оборудования, а также надежность и удобство при плавании судов в ближней зоне.

Указанная цель достигается тем, что в стереоскопический способ измерений отстояния объекта, включающий наведение оси наблюдений на объект, получение отображений объекта на плоскостях измерений, ортогональных оптическим осям, из центров двух идентичных оптических устройств, разнесенных на известной базе, проведение на плоскостях измерений через точки проекций оптических осей измерительных осей координат, параллельных базе, измерение положений граничных точек отображений объекта от центров проекций оптических осей и вычисление расстояния до объекта, используя длину базы как составную часть опорного параметра, управляют размером базы и расстоянием от центров оптических устройств до плоскостей измерений, а вычисления выполняют, используя как опорный параметр произведение длины базы на расстояние от центров оптических устройств до измерительных плоскостей.

Указанная цель достигается также тем, что судовой дальномер, состоящий из двух параллельных оптических устройств, жестко установленных на базе, блока управления, механизма поворота базы по двум осям, системы переноса отображений на общую плоскость измерений и блока вычислений, снабжен устройствами управления изменением размеров базы и отстояния измерительных плоскостей от центров оптических устройств, блок управления дополнительно подключен к механизмам изменения длины базы и отстояния измерительных плоскостей от центров оптических устройств, а плоскости измерений выполнены в виде матричных плоскостей, одна из сторон которых установлена параллельно базе, и которые подключены к вычислительному устройству.

Пример выполнения заявляемого изобретения.

На фиг.1 показан судовой дальномер-пеленгатор, состоящий из пульта управления 1, двух идентичных оптических устройств S₁, S₂, базы 2, на которой они установлены, измерительных плоскостей для каждого оптического устройства 3-1, 3-2 и вычислительного устройства 4.

Пульт управления 1 (вычислительное устройство) выполнен в виде в виде микропроцессора, обеспечивающего управление механизмами вращения базы по двум осям, изменения размеров базы, изменения расстояния от измерительных плоскостей до оптических устройств.

База 2 - жесткое основание, имеющее механизмы: вращения по двум ортогональным осям и изменения длины базы. На концах базы установлены оптические устройства S₁, S₂ с ортогональными их оптическим осям измерительными плоскостями 3-1, 3-2.

Оптические устройства S₁, S₂ выполнены в виде идентичных объективов. Оптические устройства S₁, S₂ размещены на известном отстоянии f от измерительных плоскостей 3-1, 3-2, которое может изменяться механическими либо аналитическими средствами. Измерительные плоскости 3-1, 3-2 выполнены в виде матричных плоскостей требуемой дискретности, например 25 точек на 1 мм², на которые проектируются отображения объектов и оптические оси устройств S₁ и S₂. Стороны матричных плоскостей установлены параллельно направлению базы. С этими сторонами связано направление измерительных осей X₁ и X₂ соответственно. Вычислительное устройство 4 выполнено в виде в виде микропроцессора, например семейства AVR фирмы АТМЕС.

Судовой дальномер-пеленгатор работает следующим образом. Оператор с помощью пульта управления 1 направляет ось наблюдений 0Y дальномера на объект путем поворота базы 2 по двум осям. При этом оптические устройства имеют параллельные оптические оси и перекрывающиеся сектора обзора. Изменяют размер d базы 2 и отстояние f оптических устройств S₁, S₂ от измерительных плоскостей, чтобы обеспечить оптимальное перекрытие секторов обзора. Их размеры поступают с пульта управления 1 в вычислитель 4 для оценки опорного параметра.

Лучи света, отраженные от объекта, попадают в оптические устройства S₁ и S₂ и, увеличиваясь в размерах, проектируются на плоскости 3-1, 3-2. С матриц измерительных плоскостей снимают информацию по строкам, совпадающим с направлением измерительных осей X₁ и Х₂, в которых участки засветки преобразуются в электрические сигналы, поступающие в вычислитель 4. В вычислителе 4 определяют отстояние и размеры объекта по осям Х и Y.

Рассмотрим плоскостную задачу (фиг.1), в которой объект АВ с центром О_О в виде прямой линии D имеет две составляющие D_X и D_Y в системе координат XY. Расположим оси оптических устройств параллельно на некотором расстоянии - базе (d) друг от друга. В этом случае два оптических устройства S₁ и S₂ будут иметь общую плоскость измерений, на которой проекции оптических осей 0₁ и 0₂ имеют постоянное положение. Через проекции оптических осей 0₁ и 0₂ проведем общую измерительную ось X. При этом база (d) ортогональна оптическим осям устройств, что обеспечивает ее параллельность плоскости измерений. Плоскость, ортогональная общей измерительной оси Х и проходящая через центры проектирования S₁ и S₂, образует плоскость наблюдений, имеет две оси XY и включает две плоскости наблюдений, оси которых параллельны: X₁Y₁, X₂Y₂.

По шести значениям, измеренным на осях X₁ и Х₂: a₁, b₁, c₁ и а₂, b₂, c₂, и из подобия 6 пар треугольников, одна из которых выделена цветом, определим расстояние (L) центра базы 0 от центра объекта O_O и размеры объекта. Количество возможных решений определяется количеством сочетаний из 6 элементов по 2. Одно из возможных решений для выделенных цветом пар треугольников приведено ниже:

; ; D_Y=L_A-L_B;

; ; D_X=X_A+X_B-d;

;

O_X=(X_B-X_A)/2; O_Y=(L_A-L_B)/2;

.

где L_A, L_B - отстояние (кратчайшее расстояние) точек А и В объекта от базы по оси Y;

O_X, O_Y - отстояния центра объекта от центра базы по осям Х и Y;

D_X, D_Y - размеры проекций объекта по оси Х и Y соответственно;

L - расстояние от центра базы 0 до центра объекта O_O.

Для повышения точности оценки размеров объекта при составлении систем уравнений можно выбирать наиболее большие проекции отстояний граничных точек объекта. То есть получаемые результаты контролируются, и многократно.

При этом лучи, идущие от объекта к отображению, подвергаются рефракции, но из-за относительной малости размера базы d идут по одному пути, что искажает их движение и получаемые отображения, но одинаково. Поэтому при использовании вышеприведенных зависимостей влияние рефракции не приводит к появлению погрешности, так как аналогичные параметры используются в разности.

Относительная погрешность выполненных оценок определяется только относительной погрешностью измерения наименьшего из значений: a₁, b₁, c₁ и a₂, b₂, c₂. А уменьшение погрешности достигается увеличением произведения размера базы на отстояние измерительной плоскости от оптического устройства (d·f), то есть параметров, которыми можно управлять, и использованием наиболее больших проекции отстояний граничных точек объекта. Это обеспечивает возможность обеспечения любых требуемых точностей (которые значительно точнее получаемых с помощью GPS).

Судовой дальномер-пеленгатор имеет в зоне прибрежного плавания неоспоримые преимущества перед используемыми навигационными средствами, так как с его помощью можно определять не только направление на створы, вехи и суда в процессе движения, но и расстояния до них, то есть определять координаты и маневренные элементы движения судна с высокой точностью.

Литература

1. Физический энциклопедический словарь. - М.: Научное издательство "Советская энциклопедия", - 1983. - 928 с.

2. Гузевич С.Н. О недостатках модели измерений односторонним дальномером в спутниковых навигационных системах // Геодезия и картография. - 2005. - №6. - С.19-21.

3. Гузевич С.Н. «О косвенных методах геометрических измерений» // Электронный журнал «Прикладная геометрия» (МАИ), выпуск 10, №21 (2008), С.29-38.

4. Гузевич С.Н. Аналитическое определение размеров и пространственного положения объектов при выполнении косвенных измерений // Геодезия и картография. - 2009. - №9. С.35-41.

5. Гузевич С.Н. «Косвенные геометрические измерения и условия их выполнения» // Электронный журнал «Прикладная геометрия» (МАИ), выпуск 11, №23 (2009), С.1-22.

Способ включает следующие этапы. Наведение оси наблюдений на объект. Получение отображений объекта на плоскостях измерений. Плоскости измерений ортогональны оптическим осям из центров двух идентичных оптических устройств, разнесенных на известной базе. Проведение на плоскостях измерений через точки проекций оптических осей измерительных осей координат, параллельных базе. Измерение положений граничных точек отображений объекта от центров проекций оптических осей. Вычисление расстояния до объекта, используя размер базы как составную часть опорного параметра. Причем управляют размером базы и расстоянием от центров оптических устройств до плоскостей измерений. Вычисления выполняют, используя как опорный параметр произведение длины базы на расстояние от центров оптических устройств до измерительных плоскостей. Технический результат - повышение точности и надежности определения отстояний и размеров объекта по результатам стереоскопических измерений, а также создания устройства, обеспечивающего повышение качества использования зрительного навигационного оборудования, а также надежность и удобство при плавании судов в ближней зоне. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Стереоскопический способ измерений отстояния объекта, включающий наведение оси наблюдений на объект, получение отображений объекта на плоскостях измерений, ортогональных оптическим осям, из центров двух идентичных оптических устройств, разнесенных на известной базе, проведение на плоскостях измерений через точки проекций оптических осей измерительных осей координат, параллельных базе, измерение положений граничных точек отображений объекта от центров проекций оптических осей и вычисление расстояния до объекта, используя размер базы как составную часть опорного параметра, отличающийся тем, что управляют размером базы и расстоянием от центров оптических устройств до плоскостей измерений, а вычисления выполняют, используя как опорный параметр произведение длины базы на расстояние от центров оптических устройств до измерительных плоскостей.

2. Судовой дальномер-пеленгатор для реализации стереоскопического способа по п.1, состоящий из двух параллельных оптических устройств, жестко установленных на базе, блока управления, механизма поворота базы по двум осям, системы переноса отображений на общую плоскость измерений и блока вычислений, отличающийся тем, что он снабжен устройствами управления изменением размеров базы и отстояния измерительных плоскостей от центров оптических устройств, блок управления дополнительно подключен к механизмам изменения размеров базы и отстояния измерительных плоскостей от центров оптических устройств, а плоскости измерений выполнены в виде матричных плоскостей, одна из сторон которых установлена параллельно базе, и которые подключены к вычислительному устройству.