Телефон: 8-800-350-22-65
WhatsApp: 8-800-350-22-65
Telegram: sibac
Прием заявок круглосуточно
График работы офиса: с 9.00 до 18.00 Нск (5.00 - 14.00 Мск)

Статья опубликована в рамках: XLVII Международной научно-практической конференции «Вопросы технических и физико-математических наук в свете современных исследований» (Россия, г. Новосибирск, 24 января 2022 г.)

Наука: Технические науки

Секция: Приборостроение, метрология, радиотехника

Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции

Библиографическое описание:
Рощин Д.А. ВИДЕОГРАММЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ // Вопросы технических и физико-математических наук в свете современных исследований: сб. ст. по матер. XLVII междунар. науч.-практ. конф. № 1(39). – Новосибирск: СибАК, 2022. – С. 64-70.
Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

ВИДЕОГРАММЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Рощин Дмитрий Александрович

канд. техн. наук, ст. науч. сотр., Научно-исследовательский испытательный центр Железнодорожных войск Минобороны России,

РФ, г. Москва

АННОТАЦИЯ

Разработан видеограмметрический способ решения геодезической задачи обратной однократной угловой засечки по трем равноудаленным друг от друга визирным целям, с помощью которого определяются локальные координаты и пространственное положение строительной техники. В основу способа положены методы цифровой обработки видеоизображений, позволяющие с высокой вероятностью обнаруживать и идентифицировать визирные цели по таким визуальным признакам, как форма, цвет излучаемого видимого света и частота мигания. Такой подход к решению данной задачи позволяет создавать локальную систему координат, применимую в целях обеспечения контроля пространственного положения, навигации и автоматизации процессов управления строительной техники.

 

Ключевые слова: машинное зрение, определение координат, пространственное положение, обратная угловая засечка, обработка видеоизображения, визирная цель, строительная техника.

 

В условиях шумных и загруженных строительных площадок, сосредотачивается большое количество людей и машин. Строительная техника создает шум и вибрацию, не позволяя строителям в полной мере контролировать ситуацию. Обзор литературы [1-4] выявил возможные причины аварий при проведении строительных работ. Анализ факторов риска таких типов аварий на основе действующих правил безопасности позволил определить потребности в пространственных данных, необходимых для обеспечения автоматизированной оценки безопасности.

Предложенный видеограмметрический способ направлен на повышение безопасности и автоматизации управления строительными работами. Этим способом была решена геодезическая задача обратной однократной угловой засечки по трем равноудаленным друг от друга визирным целям активного типа, устанавливаемым на строительном участке. Решение данной задачи позволило с помощью визирных целей создавать локальную систему координат, в которой устройство машинного зрения определяет координаты строительной техники и ее пространственное положение.

На строительном участке в процессе производства земляных работ применяется большое количество землеройной техники, траектории движения которой могут пересекаться. В этом случае контроль за пространственными параметрами техники является наиболее эффективным способом обеспечения безопасности строительных работ. Такой контроль необходим для своевременного обнаружения и предупреждения выхода значений контролируемых параметров за пределы допуска. В случае опасного сближения техники, её движение приостанавливается, тем самым снижаются риски повреждения техники. Применение машинного зрения рассмотрено на примере контроля траектории движения и пространственного положения бульдозера.

Для этого на строительном участке устанавливали три визирные цели (рис. 1), а устройство машинного зрения размещали на кабине бульдозера вдоль оси вращения гусеничного шасси. Контроль за пространственным положением бульдозера обеспечивали бортовым компьютером, предназначенным для обработки видеоизображения и управления системой. С его помощью вычисляли координаты и пространственное положение техники. Эти данные отображались на встраиваемом в приборную панель компьютере. По ним машинист корректировал направление движения бульдозера. Если землеройная техника оснащена автоматизированной системой управление, то по этим данным производство земляных работ может выполняться в автоматическом режиме.

 

Рисунок 1. Локальная система координат строительного участка, образованная тремя визирными целями: 1, 2, 3 - обозначения визирных целей; 4 – видеограмметрическое устройство на кабине бульдозера

 

Визирные цели размещали на координатной плоскости OXY по часовой стрелке, начиная с визирной цели 1, расположенной на координатной оси ОХ, в порядке возрастания цифрового обозначения. В составе устройства машинного зрения использовали три видеокамеры, обеспечивающие одновременное и непрерывное отслеживание каждой из визирных целей. Поиск визирных целей выполнялся путем изменения направления обзора λ0 видеокамер с шагом, не превышающим их угол обзора.

Ориентирование устройства машинного зрения выполняли на основе метода обратной пространственной фотограмметрической засечки. В случае размещения устройства машинного зрения на гиростабилизированной платформе, углами, образованными плоскостью с осями координат, можно пренебречь.

Вначале выполняется поиск визирных целей посредством изменения направления обзора видеокамер ψ0. Устройство машинного зрения обрабатывает цифровые видеоизображения, поступающие с видеокамер, и обнаруживает на них визирные цели по таким визуальным признакам, как форма визирной цели, излучаемый ей цвет видимого света и частота мигания. Для идентификации визирных целей определяется частота изменения яркости пикселов на видеоизображении. За период времени идентификации t обрабатывается N кадров с изображением визирной цели Vi, яркость пикселов которого выражается функцией . Частота W изменения яркости пиксела на видеоизображении определяется как количество значимых изменений яркости за этот период

На видеоизображении фиксируются только те координаты пикселов (xy), при которых значения частоты  совпадают со значениями из заданного набора частот мигания визирных целей (ν1, ν2 ν3). После идентификации всех визирных целей они представляются в виде циклической последовательности  в порядке их обнаружения. Затем вычисляются горизонтальные углы визирных целей из выражения:

где xi – абсцисса визирной цели i на изображения;

f – фокусное расстояние видеокамеры.

Далее вычисляются модули разности между горизонтальными углами для каждой пары визирных целей в этой последовательности:

Затем данная последовательность упорядочивается путём нахождения индекса первого элемента, имеющего наибольшее значение модуля разности горизонтальных углов с помощью условия:

В результате получают упорядоченный кортеж визирных целей  для которого Δλ1 и Δλ2 будут обозначать горизонтальные углы  и  между направлениями на эти визирные цели (рис. 2), соответственно.

 

Рисунок 2. Принципиальная схема определения координат

 

Дирекционный угол визирной цели V1 в полученном кортеже вычисляется из выражения:

После этого определяли плановое положение устройства машинного зрения из систем уравнений:

Вертикальные углы визирных целей вычислялись по формуле:

где yi – ордината визирной цели i на изображения.

Зенитный угол θ устройства машинного зрения находили из выражения:

,

 где Xi, Yi – координаты визирных целей:

Возвышение бульдозера над координатной плоскость OXY определяли из выражения:

где h – высота бульдозера.

В ходе экспериментов были оценены максимальные значения погрешностей определения координат бульдозера, которые оказывают влияние на качество и безопасность производства земляных работ при базисном расстоянии между визирными целями 10 м в диапазоне изменения радиального расстояния R [0, 25] м. На графиках (рис. 3) видно, что по мере увеличения радиального расстояния до бульдозера погрешности определения его координат возрастают в диапазоне [0, 350] мм. Также значения погрешностей возрастали, когда бульдозер оказывался в непосредственной близости к воображаемой окружности, на пересечении с которой расположены визирные цели. Рост погрешностей в этой области связан с проявлением известного в геодезии эффекта «опасного круга».

 

Рисунок 3. Графики погрешностей определения координат бульдозера

 

Разработанный способ контроля пространственных данных позволяет автоматизировать ряд технологических операций по производству земляных работ. Установлено, что устройство машинного зрения при базисном расстоянии между визирными целями 10 м обеспечивает в радиусе 25 м контроль планового положения строительной техники в пределах допуска 35 см и высотного положения в пределах допуска 2,5 см. Таким образом, контролируется траектория движения техники и снижается риск её повреждения в процессе выполнения строительных работ.

 

Список литературы:

  1. Duarte J., Marques A. T., Santos Baptista J. // Safety. 2021. Vol. 7. № 1. 21 p.
  2. Gurcanli G. E., Baradan S., Uzun M. // International Journal of Industrial Ergonomics. 2015. Vol. 46. P. 59–68.
  3. Kim H., Kim K., Kim H. Vision-Based Object-Centric Safety Assessment Using Fuzzy Inference: Monitoring Struck-By-Accidents with Moving Objects // Journal of Computing in Civil Engineering. 2016. Vol. 30. № 4. Article 04015075.
  4. Chi S., Caldas C.H. Image-Based Safety Assessment: Automated Spatial Safety Risk Identification of Earthmoving and Surface Mining Activities // Journal of Construction Engineering and Management. 2012. Vol. 138. № 3. P. 341-351.
Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

Оставить комментарий

Форма обратной связи о взаимодействии с сайтом
CAPTCHA
Этот вопрос задается для того, чтобы выяснить, являетесь ли Вы человеком или представляете из себя автоматическую спам-рассылку.