Reflektorių atpažinimo ir sekimo technologija - Autolock

Visi Trimble robotizuoti tacheometrai naudoja Autolock® technologiją reflektorių suradimui ir jų sekimui matavimų metu. Trimble SX12 skenuojantis tacheometras Autolock® pritaikymui naudoja skaitmeninės kameros sistemą. Vienas pagrindinių tokios SX12 sistemos privalumų yra tai, kad ji gali geriau atskirti kelis skirtingus reflektorius prietaiso matymo lauke.

Tai reiškia, kad taikantis į nuolatinius taikinius su SX12, atstumai tarp reflektorių gali būti mažesni nei naudojantis analoginiu sekimo metodu. Be to, SX12 geba sekti taikinį net ir tais atvejais, kai jo akiratyje pasirodo vienas ar daugiau nepageidaujamų atspindinčių objektų (kelio ženklai, automobilių numeriai, automobilių žibintų reflektoriai) ar kitos prizmės.

Pagrindiniai teiginiai, kuriuos aptarsime šioje publikacijoje:

  • Sekimo prietaisas, EDM (tolimatis) ir telekamera yra bendraašiai (angl.: coaxial);
  • Prizmės atpažinimas priklauso nuo jos dydžio ir atstumo iki prietaiso;
  • Dviejų prizmių vaizdai sekimo prietaise turi būti atskiri, kad prietaisas galėtų juos laikyti dviem skirtingais taikiniais;
  • SX12 turi aukštas taikinių atskyrimo/atpažinimo galimybes: apie 40 mm nuo centro iki centro trumpuose nuotoliuose ir 85 mm prie 100 m atstumo.

Trimble SX12 reflektoriaus (prizmės) atpažinimo sistema

Jeigu trumpai - SX12 apšviečia reflektorių infraraudonųjų spindulių šviesa (sklindančią iš sekimo siųstuvo) ir nutaiko instrumentą į iš reflektoriaus atspindėtą šviesos židinį.

Iliustracija 1 rodo, kaip SX12 apsišviečia reflektorių ir šviesa atsispindi atgal į prietaisą.
Iliustracija 1 rodo, kaip SX12 apsišviečia reflektorių ir šviesa atsispindi atgal į prietaisą.

Reflektoriaus atspindėtą šviesą SX12 priekinis lęšis sufokusuoja į prietaiso kameros jutiklį (vadinamą sekimo detektoriumi). Iš reflektoriaus sklindanti šviesa sekimo detektoriuje sukuria vaizdą.

Iliustracija 2. Schematinis vaizdas, rodantis, kaip SX12 nusitaiko į taikinį.
Iliustracija 2. Schematinis vaizdas, rodantis, kaip SX12 nusitaiko į taikinį.

Kaip rodo iliustracija apačioje, sekimo prietaisas, EDM ir telekamera yra bendraašiai. Tai, kad SX12 prietaisas neturi vizavimo akutės, leidžia sekimo detektorių montuoti teleskopo gale. Toks dizainas suteikia patį stabiliausią optinį kelią sekimo prietaisui, o tai užtikrina geriausius veikimo rezultatus.

Iliustracija 3. SX12 teleskopo skerspjūvis
Iliustracija 3. SX12 teleskopo skerspjūvis

Sekimo prietaisas reflektoriaus aptikimui naudoja trijų žingsnių procesą. Šis procesas yra pakartojamas daugiau nei 100 kartų per sekundę, kad būtų užtikrinamas sklandus automatinio nusitaikymo funkcionalumas.

  1. Siųstuvas skleidžia infraraudonųjų spindulių šviesą ir naudojant sekimo detektorių, užfiksuojamas vaizdas;
  2. Siųstuvas yra išjungiamas ir naudojant sekimo detektorių, užfiksuojamas antrasis vaizdas;
  3. Reflektorius (-iai) atpažįstamas randant skirtumą tarp šių dviejų vaizdų, kaip pavaizduota nuotraukoje apačioje:
Iliustracija 4 rodo, kaip pasinaudojant skirtumu tarp dviejų vaizdų aptinkamas taikinys. Vienas su įjungtu siųstuvu, kitas su išjungtu.
Iliustracija 4 rodo, kaip pasinaudojant skirtumu tarp dviejų vaizdų aptinkamas taikinys. Vienas su įjungtu siųstuvu, kitas su išjungtu.

SX12 matymo laukas

SX12 reflektoriaus atpažinimo sistemos matymo laukas praktiškai sutampa su telekameros matymo lauku. Tai reiškia, kad jei nematote savo prizmės kameroje, jo nematys ir prizmės atpažinimo sistema.

Iliustracija 5 rodo SX12 kamerų ir sekimo sistemos apžvalgos lauką.
Iliustracija 5 rodo SX12 kamerų ir sekimo sistemos apžvalgos lauką.

Minimalus atstumas tarp reflektorių: Teorija

Minimalus atstumas tarp dviejų reflektorių, kuris reikalingas skirtingų signalų atpažinimui, priklauso nuo prizmių dydžio ir atstumo iki tacheometro. Prizmės dydis ir atstumas iki tacheometro nusako, kokio dydžio vaizdas pasirodys sekimo detektoriuje ir kaip toli (vienas nuo kito) dviejų taikinių vaizdai pasirodys detektoriuje. Sekimo prietaisas gali atskirti du skirtingus taikinio vaizdus tik tuo atveju, jei jie nepersidengia. Svarbu paminėti, kad egzistuoja viena situacija, kai kelių reflektorių matymas kaip vieno taikinio yra naudingas - naudojant 360 laipsnių prizmę. Kelių mažų prizmučių atspindėti signalai 360 laipsnių prizmėje yra matomi kaip vienas taikinys, kad tacheometras nusitaikytų į tokio klasterio centrą.

Iliustracija 6 rodo, kaip dvi prizmės bus laikomos skirtingais taikiniais, jei jų vaizdas sekimo detektoriuje nepersidengs.
Iliustracija 6 rodo, kaip dvi prizmės bus laikomos skirtingais taikiniais, jei jų vaizdas sekimo detektoriuje nepersidengs.
Iliustracija 7a rodo, kaip kampas tarp dviejų taikinių sukuria atstumą tarp dviejų vaizdų sekimo detektoriuje.
Iliustracija 7a rodo, kaip kampas tarp dviejų taikinių sukuria atstumą tarp dviejų vaizdų sekimo detektoriuje.
Iliustracija 7b rodo tuos pačius du taikinius, kaip ir iliustracija 7a, tačiau šįkart atstumas didesnis. Skirtumas tarp dviejų taikinių milimetrais vis dar yra toks pats, tačiau didesnis atstumas suteikia mažesnį atskyrimo kampą, todėl šie du vaizdai sekimo detektoriuje atrodo esantys arčiau.
Iliustracija 7b rodo tuos pačius du taikinius, kaip ir iliustracija 7a, tačiau šįkart atstumas didesnis. Skirtumas tarp dviejų taikinių milimetrais vis dar yra toks pats, tačiau didesnis atstumas suteikia mažesnį atskyrimo kampą, todėl šie du vaizdai sekimo detektoriuje atrodo esantys arčiau.

Kai taikinys yra netoliese, sekimo prietaiso kamera yra fokusuojama į begalybę, taip veikiant taikinio vaizo dydį. Gaunamas toks pats efektas, kaip kameros nuotraukose, kai fonas suliejamas ir maži šviesos šaltiniai, kurie nėra sufokusuoti, nuotraukoje išsiplečia bei tampa dideliais šviesiais diskais. Kuo toliau šviesos šaltiniai yra nuo fokuso zonos, tuo didesni bus ir šviesūs nesufokusuoti diskai. Jų dydžiui įtaką taip pat daro ir didesnis kameros lęšis.

Iliustracija 8a rodo ryškius šviesos šaltinius. Kamera sufokusuota į juos.
Iliustracija 8a rodo ryškius šviesos šaltinius. Kamera sufokusuota į juos.
Iliustracija 8b rodo tuos pačius ryškius šviesius šaltinius, kaip ir iliustracija 8a, tačiau šįkart kamera yra sufokusuota į gerokai toliau esantį tašką. Atkreipkite dėmesį, kaip šviesos šaltinių vaizdas padideja ir tampa dideliais šviesiais diskas dėl nesufokusavimo.
Iliustracija 8b rodo tuos pačius ryškius šviesius šaltinius, kaip ir iliustracija 8a, tačiau šįkart kamera yra sufokusuota į gerokai toliau esantį tašką. Atkreipkite dėmesį, kaip šviesos šaltinių vaizdas padideja ir tampa dideliais šviesiais diskas dėl nesufokusavimo.

SX12 prietaisui tas mažas šviesos šaltinis yra sekimo prietaiso siunčiamas lazerio spindulys, kuris patenka į prizmę ir yra atspindimas atgal į prietaisą. Sekimo detektorius mato siųstuvo siunčiamą signalą ir laiko jį esančiu du kartus toliau nei pati prizmė. Panašiai įvyksta mums žiūrint į veidrodį – atstumas tarp mūsų ir atspindžio yra du kartus didesnis nei atstumas tarp mūsų ir veidrodžio. Prizmė yra tarsi veidrodis, kuri leidžia SX12 pamatyti ir nusitaikyti į savo paties atvaizdą. Seklio siųstuvo lazeris iš esmės yra taško šaltinis, tačiau, kadangi sekimo sistema yra fokusuota į begalybę, taikinio vaizdas taps didesnis jam artėjant prie instrumento. Taip įvyksta dėl nefokusavimo, matomo iliustracijoje 8b.

Iliustracija 9a. Toliau esantis taikinys sekimo detektoriuje sukurs mažesnį vaizdą.
Iliustracija 9a. Toliau esantis taikinys sekimo detektoriuje sukurs mažesnį vaizdą.
Iliustracija 9b. Būdamas arčiau, tas pats taikinys suteikia sekimo detektoriui didesnį vaizdą.
Iliustracija 9b. Būdamas arčiau, tas pats taikinys suteikia sekimo detektoriui didesnį vaizdą.

Didėjant atstumui iki taikinių, jų vaizdo dydis mažėja. Tai reiškia, kad esant didesniems atstumams kampas tarp dviejų prizmių gali sumažėti, tačiau SX12 vis dar galės juos atskirti. Tai galioja, kol optikos ir paties sekimo detektoriaus raiška pasiekia apatinę atskyrimo kampo tarp dviejų prizmių ribą. SX12 sekimo prietaiso lęšis yra 50 mm diametro, tačiau visas lęšio plotas surenka šviesą tik tuo atveju, jei prizmė yra pakankamai didelė. Prizmės, kurios yra 25 mm ar didesnės, užpildys visą lęšį ir todėl gaus tokio paties dydžio nefokusavimo diskus. Tai reiškia, kad mažiausias prizmės atskyrimas (nuo centro iki centro) visoms prizmėms, didesnėms nei 25 mm yra toks pats. Tuo tarpu mažesnės nei 25 mm prizmės sugeneruos mažesnius nefokusavimo diskus, todėl net ir pastatytos arčiau viena kitos, vis tiek išliks atskiriamos sekimo prietaiso.

Iliustracija 10a. Kai naudojama didelė prizmė (virš 25 mm) nuo taikinio sugrįžtanti šviesa užpildo visą prietaiso lęšį ir lęšis apriboja šviesos kiekį, kuris yra fokusuojamas į detektorių. Kai prizmė yra 25 mm ar didesnė, vaizdo dydis yra ribojamas lęšio dydžio ir didesnė prizmė negali padidinti vaizdo dydžio.
Iliustracija 10a. Kai naudojama didelė prizmė (virš 25 mm) nuo taikinio sugrįžtanti šviesa užpildo visą prietaiso lęšį ir lęšis apriboja šviesos kiekį, kuris yra fokusuojamas į detektorių. Kai prizmė yra 25 mm ar didesnė, vaizdo dydis yra ribojamas lęšio dydžio ir didesnė prizmė negali padidinti vaizdo dydžio.
Iliustracija 10b. Iš mažos prizmės sugrįžtanti šviesa neužpildo viso prietaiso priekinio lęšio ir detektoriui pateikia mažesnį vaizdą.
Iliustracija 10b. Iš mažos prizmės sugrįžtanti šviesa neužpildo viso prietaiso priekinio lęšio ir detektoriui pateikia mažesnį vaizdą.

Apibendrindami galime pasakyti, kad:

  • Sekimo prietaisas, EDM ir telekamera yra bendraašiai;
  • Minimalus prizmės atskyrimas priklauso nuo prizmės dydžio ir nuotolio. Dviejų taikinių vaizdai turi būti atskiriami detektoriuje, kad sekimo prietaisas galėtų juos laikyti dviem taikiniais;
  • SX12 turi aukštas prizmių atpažinimo galimybes: apie 40 mm nuo centro iki centro trumpuose atstumuose ir 85 mm prie 100 atstumo;
  • Trumpame nuotolyje minimalus atskyrimas bus pagrinde apribotas nefokusavimo, tačiau mažesnė prizmė leistų ir mažesnį prizmės atskyrimą;
  • Ilgame nuotolyje minimalus prizmės atskyrimas bus apribotas sekimo sistemos raiškos ir pasieks pastovų kampą;
  • Prizmės, kurios yra 25 mm diametro ar didesnės, turi tokį patį minimalų nuo centro iki centro atskyrimą.
Iliustracija 10. Lentelė viršuje rodo minimalų atskyrimą, kai prietaisas vis dar gali atskirti dvi prizmes kaip atskirus taikinius. Atstumas ir kampas nurodo atstumą nuo centro iki centro ir kampą tarp prizmių.
Iliustracija 10. Lentelė viršuje rodo minimalų atskyrimą, kai prietaisas vis dar gali atskirti dvi prizmes kaip atskirus taikinius. Atstumas ir kampas nurodo atstumą nuo centro iki centro ir kampą tarp prizmių.
Iliustracija 11 atvaizduoja tą pačią informaciją diagramose.
Iliustracija 11 atvaizduoja tą pačią informaciją diagramose.

Norint apskaičiuoti minimalų atstumą tarp dviejų skirtingo dydžio prizmių, reikėtų tiesiog panaudoti dviejų prizmių dydžių minimalaus atskyrimo vidurkį.

Pavyzdžiui, pabandykime paskaičiuoti minimalų atskyrimą tarp dviejų prizmių 30 m atstumu: vienos su 25 mm diametru, o kitos su 12.5 mm.

Pirmiausia lentelėje nr. 10 suraskime minimalų atskyrimą:

  • Ties 30 m atstumu 25 mm prizmei reikia 55 mm atskyrimo nuo tokio pat dydžio prizmės;
  • Ties 30 m atstumu 12.5 mm prizmei reikia 39 mm atskyrimo nuo tokio pat dydžio prizmės.

Tuomet išveskite vidurkį tarp šių dviejų matmenų:
(55 mm + 39 mm) ÷ 2 = 47 mm

Atsakymas:
Ties 30 m nuotoliu, 25 mm prizmei ir 12.5 mm prizmei reikės minimalaus 47 mm atskyrimo nuo centro iki centro.

Iliustracija 12. Pavyzdinis minimalaus atskyrimo skaičiavimas.
Iliustracija 12. Pavyzdinis minimalaus atskyrimo skaičiavimas.

Norint apskaičiuoti minimalų atskyrimo kampa tarp dviejų taikinių skirtingais nuotoliais, reikėtų naudoti vidutinį minimalų šių dviejų dydžių atskyrimo kampą.

Pavyzdžiui, pabandykime apskaičiuoti minimalų atskyrimo kampą dviems 25 mm prizmėms: viena 10 m atstumu, o kita 100 m atstumu.

Pirmiausia, suraskime minimalų atskyrimą iliustracijoje nr. 10:

  • 10 m atstumu, 25 mm prizmei reikia 0.244° atskyrimo nuo to paties dydžio prizmės;
  • 100 m atstumu, 25 mm prizmei reikia 0.049° atskyrimo nuo to paties dydžio prizmės.

Tuomet išveskime vidurkį tarp šių dydžių:
(0.244°+0.049°) ÷ 2 = 0.147°

Atsakymas:
Viena 25 mm diametro prizmė 10 m atstumu ir viena 25mm prizmė 100 m atstumu reikalauja 0.147 laipsnio atskyrimo nuo centro iki centro.

Sąsaja su Trimble S serijos prietaisais

Visi S serijos „Trimble“ tacheometrai turi galimybę surasti ir sekti prizmes naudodami „Trimble“ Autolock® technologiją.

Trimble FineLock®, leidžiantis mažesnį prizmių atskyrimą nei kituose modeliuose, veikia „Trimble“ S7, S9 ir S9HP įrenginiuose. FineLock® nauodoja tik vidinį sekimo prietaiso imtuvo detektorių, kuris turi ypač siaurą matymo lauką, taip pašalinant trukdančius atspindžius nuo kitų prizmių ir leidžiant prietaisui fokusuotis į vieną prizmę.

SX12 prietaiso prizmės sekimo galimybės taip pat kyla iš Autolock® technologijos, tačiau pritaikymas čia šiek tiek kitoks, kadangi SX12 naudoja kamera pagrįstą sekimo sistemą. SX12 prietaisui matymo lauko susiaurinimas nepaveiktų norimo minimalaus atskyrimo, todėl tokios technologijos, kaip FineLock® jam nėra reikalingos.

Lyginant S serijos įrenginius su SX12 atstumuose, didesniuose nei 40 m, SX12 prireikia mažesnio taikinių atskyrimo.

Iliustracija 13. Lentelė rodo minimalų atstumą, kai prietaisai vis dar gali atskirti dvi prizmes kaip atskirus taikinius. Šios reikšmės parodo prizmių atstumą nuo centro iki centro.
Iliustracija 13. Lentelė rodo minimalų atstumą, kai prietaisai vis dar gali atskirti dvi prizmes kaip atskirus taikinius. Šios reikšmės parodo prizmių atstumą nuo centro iki centro.

Paprastai tariant, dirbant dideliais atstumais, SX12 reikalingas 10 kartų mažesnis prizmių atskyrimas nei S serijos įrenginiams, naudojantiems FineLock.

Dažniausiai pakartotinio stebėjimo užduotims naudojamos „Trimble“ prizmės
Dažniausiai pakartotinio stebėjimo užduotims naudojamos „Trimble“ prizmės

  • Paruošė:
  • Christian Graesser, Distinguished Engineer
  • Mikael Nordenfelt, Distinguished Engineer
  • Chantal Jorawsky, Product Manager

Dokumentas originalo kalba: Trimble SX12 Tracking And Target Separation - White Paper

x:0;y:0