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Dokumentenidentifikation DE69925057T2 02.03.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0000937963
Titel Vorrichung zur Messung der Höhe eines Flugkörpers
Anmelder Fuji Jukogyo K.K., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Saneyoshi, Keiji, Mikata-shi, Tokyo 181-0015, JP;
Tsuchiya, Hideaki, Mikata-shi, Tokyo 181-0015, JP
Vertreter Leine & Wagner, 30163 Hannover
DE-Aktenzeichen 69925057
Vertragsstaaten DE, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 17.02.1999
EP-Aktenzeichen 993011758
EP-Offenlegungsdatum 25.08.1999
EP date of grant 04.05.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.03.2006
IPC-Hauptklasse G01C 11/06(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse G01C 5/00(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Höhe eines Flugobjektes, insbesondere eine Vorrichtung zum Messen eines in geringer Höhe fliegenden Flugzeugs. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung weist der Begriff Höhe die besondere Bedeutung der Höhe des fliegenden Objekts über dem Boden und nicht notwendiger Weise die Höhe über dem Meeresspiegel auf.

Wenn ein fliegendes Objekt in einer geringen Höhe fliegt oder wenn dieses landet oder startet, ist ein Höhenmesser eine essentielle Vorrichtung. Kürzlich wurde eine Sprühtechnik von Agrikulturchemikalien mittels eines fliegenden Objektes wie beispielsweise eines unbemannten Helikopters praktisch möglich. Es sind dort zwei Wege zur Steuerung des unbemannten Helikopters gegeben. Der erste Weg ist mittels Fernsteuerung realisiert bei der ein Bediener den Helikopter mittels Übertragung in Antwort auf eine visuelle Observation steuert. Der zweite Weg ist eine autonome Steuerung, in der der Helikopter autonom fliegt und/oder landet ohne die Führung eines Bedieners. Eine Fernübertragungssteuerung verlangt einen hohen Grad an Können des Bedieners, um die Höhe des Helikopters mittels Auge zu überwachen und diesen sicher zu landen.

Da das Ziel der Verwendung des unbemannten Helikopters ist, Arbeit einzusparen, ist es wünschenswert, daß der unbemannte Helikopter autonom gesteuert wird, so daß ein Bediener nicht kontinuierlich belegt ist mit der Aufgabe der Führung sowie mit der ersten Übertragungssteuerung. Für den autonom gesteuerten Typ eines unbemannten Helikopters ist ein Höhenmesser, der hoch präzise Höhendaten liefert, unentbehrlich.

Es gibt eine Menge Arten von Höhenmessern einschließlich ein Höhenmesser, bei dem die Höhe bestimmt wird durch Umwandeln der Differenz von Atmosphärendruck in eine Höhe, einen Höhenmesser, bei dem eine Höhe berechnet wird von der Zeit, die genommen wird für die Reflektion eines Laserstrahls, einer Radiowelle, einer Schallwelle oder dergleichen, die übertragen wird in Richtung des zu empfangenen Bodens, einen Höhenmesser, bei dem eine Höhe gefunden wird, basierend auf Positionsinformation, übertragen von positionierten Satelliten wie beispielsweise D-GPS, einen Höhenmesser, bei dem eine Höhe durch Beschleunigung erhalten wird. Genau genommen, aufgrund einer reflektierenden charakteristischen Größe eines Objektes am Boden (das Terrain, über dem der Höhenmesser zu verwenden ist), der Umgebung, in der der Höhenmesser verwendet wird (die atmosphärischen Bedingungen) und anderen Faktoren, die in Betracht zu ziehen sind, weisen die verschiedenen Typen an Höhenmessern Vorteile und Nachteile auf. Bekannte Höhenmesser arbeiten nicht gänzlich zufriedenstellend unter den erfahrenen Bedingungen eines fliegenden Objektes, das in einer geringen Höhe fliegt.

Um zufriedenstellend zu arbeiten ist es insbesondere wichtig, daß der Höhenmesser nicht nachteilig beeinflußt wird mittels der reflektierenden charakteristischen Größen des Objektes auf dem Boden. Mit dieser Tatsache im Bewußtsein ist eine Technik am vielversprechendsten, bei der eine Höhe gemessen wird mittels Verarbeitung von Bildern, die aufgenommen werden durch Kameras von dem fliegenden Objekt. Ein Beispiel aus dem Stand der Technik einer Technik der Höhenmessung aus Bildern ist offenbart in der Japanischen Patentanmeldung Nr. Toku-Kai-Shou 62-88914. In diesem Stand der Technik wird eine Höhe erhalten, die basiert auf dem Vergleich der Bewegung eines Objektes in einem Bildbereich mit einer aktuellen Distanz zu diesem Bereich. Da jedoch die aktuelle Distanz des Bildbereichs bekannt sein muß, wird eine Karte, die den Bildbereich enthält, benötigt und ebenso muß eine spezifische Markierung in diesem Bereich aufgenommen sein. Darüberhinaus muß ein Abtriebswinkel in Bezug auf das Zentrum des Blickfeldes bekannt sein und dieser Abtriebswinkel indirekt gemessen werden mittels eines Gyrokompasses oder eines ähnlichen Instrumentes, so das die Genauigkeit unbefriedigend ist.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Messen einer Höhe bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Höhe eines fliegenden Objektes genau zu messen, die die Nachteile des Standes der Technik lindert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung stellt diese eine Vorrichtung zum Messen einer Höhe eines fliegenden Objektes bereit, das in einer geringen Höhe fliegt, aufweisend ein Paar stereoskopischer Kameras, die auf dem fliegenden Objekt angebracht sind zum Aufnehmen eines stereoskopischen Bildes einer Grundoberfläche unter dem fliegenden Objekt, eine stereoskopische Verarbeitungssektion zum Verarbeiten eines Bildpaares, abgebildet durch die Kameras und zur Berechnung der Abstandsdaten der Grundoberfläche, und eine Höhenberechnungssektion zum Erstellen einer Konfiguration der Grundoberfläche, basierend auf den Abstandsdaten einer Vielzahl von Meßpunkten auf der Grundoberfläche, um eine Höhe des Flug-Objektes zur Grundoberfläche zu berechnen.

Eine Vorrichtung zum Messen der Höhe eines Flugobjektes, verkörpernd die vorliegende Erfindung, wird nunmehr beschrieben, auf dem Wege lediglich eines Beispiels, mit Bezugnahme auf die angehängten Figuren, von denen:

1 ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Messen einer Höhe ist;

2 ein Flußdiagramm ist, das ein Verfahren zum Löschen seltsamer (pekuliärer) Punkte zeigt;

3 ein Flußdiagramm ist, das ein Verfahren zum Berechnen einer Höhe darstellt;

4 ein Abstandsbild auf einer Koordinate mit einer horizontalen Achse i und einer vertikalen Achse j ist; und

5 eine Reihe von Abstandsdaten ist, ausgedrückt in einer Realraumkoordinate mit einer horizontalen Achse X, die eine horizontale Position zeigt, und einer longitudinalen Achse Z, die einen Abstand zeigt.

1 zeigt eine Konstruktion einer Vorrichtung zum Messen einer Höhe, die montiert ist auf einem Flugobjekt wie beispielsweise einem Helikopter, das in eine 5 geringen Höhe fliegt. Die Vorrichtung beinhaltet ein Paar stereoskopischer Kameras 10 zum Aufnehmen eines dreidimensionalen Bildes einer Szene unterhalb des Flugobjekts, eine Bildeingabesektion 20 zum Implementieren eines Eingabeprozesses des mittels der Kamera 10 aufgenommenen Bildes, einen Originalbildspeicher 25 zum Speichern eines Bildes, das in der Bildeingabesektion 20 als Originalbild verarbeitet wird, eine stereoskopische Verarbeitungssektion 30 zum Erzeugen von Abstandsverteilungsinformation (Abstandsbild) vom Originalbild mittels Stereo-Matchings, ein Abstandsbildspeicher 35 zum Speichern des Abstandsbildes und eine Höhenberechnungssektion 40 zum Berechnen einer Grundhöhe aus der Abstandsinformation aus einer Vielzahl von erfaßten Punkten.

Jede stereoskopische Kamera 10 beinhaltet zwei CCD-Kameras 10a, 10b, die sychron miteinander operieren und deren Verschlußgeschwindigkeiten variabel gesteuert werden. Eine CCD-Kamera 10a wird verwendet als eine primäre Kamera zum Aufnehmen eines Referenzbildes und die andere Kamera 10b wird verwendet als eine subsidiäre Kamera zum Aufnehmen eines Vergleichsbildes. Weiterhin sind diese zwei Kameras mit einer spezifischen Basislänge angeordnet und deren optischen Achsen parallel miteinander arrangiert.

Die Bildeingabesektion 20 beinhaltet ein Analoginterface mit einem Gain-Steuerungsverstärker, einem A/D-Wandler zum Wandeln von analogen Daten von den CCD Kameras 10a, 10b in digitale Bilddaten und ein hochintegriertes FPGA (flexibles programmierbares Gate Array) mit verschiedenen Bildverarbeitungsfunktionen wie beispielsweise LOG Konversionstabelle, um eine logarithmische Umwandlung in bezug auf helle und abgedunkelte Bereiche des Bildes zu erzeugen. In der Bildeingabesektion 20 werden nach Eingabe von Bildsignalen aus den CCD Kameras 10a, 10b nach Anweisung mittels einer Gain-Einstellung Bildkorrekturen wie beispielsweise die Verbesserung von Kontrasten von nieder-hellen Bereichen durch die LOG-Konversion durchgeführt und anschließend daher korrigierte Bildsignale in digitale Bilddaten mit einer gegebenen Helligkeit umgewandelt. Danach werden diese Bildsignale an den Original-Bildspeicher 25 zum Speichern gesendet.

Die stereoskopische Verarbeitungssektion 30 ist aufgebaut aus einem hoch integrierten FPGA, enthaltend einen City-Block-Abstandsberechnungsschaltkreis, einen Abweichungserfassungsschaltkreis und dergleichen. In bezug auf zwei im Originalbildspeicher 25 gespeicherten Bildern, das Referenzbild und das Vergleichsbild, wird das Stereo-Matching für jede kleine Region der entsprechenden zwei Bilder durchgeführt, um dreidimensionale Bildinformationen (Abstandsbilder), ausgedrückt in Zahlen, zu erhalten.

Das bedeutet, daß im City-Block-Abstandsberechnungsschaltkreis ein City-Block-Abstand zwischen einer kleinen Region des Referenzbildes und einer entsprechenden kleinen Region des Vergleichsbildes berechnet wird und anschließend im Abweichungserfassungsschaltkreis geprüft wird, ob oder nicht diese zwei kleinen Regionen übereinstimmen mittels Evaluieren von Minimum- und Maximumwerten des berechneten City-Block-Abstandes. Wenn diese Prüfbedingung erfüllt ist und der City-Block-Abstand minimal wird, ist der Abweichungsbetrag des Bildelementes in diesem Moment eine Abstandsinformation der kleinen Objekt-Region des Referenzbildes. Daher wird die erhaltene Abstandsinformation gespeichert im Abstandsbildspeicher 35. Detaillierte Prozesse des Stereo-Matchings sind beschrieben in der Japanischen Patent-Anmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. Toku-Kai-Hei 5-114099, eingereicht durch den Anmelder der vorliegenden Erfindung.

Die Höhenberechnungssektion 40 ist konstituiert aus einem RISC-Prozessor und dergleichen. Der RISC-Prozessor (Reduced Instruction Set Computer) führt einen Erkennungsprozess bei hohen Geschwindigkeiten durch, basierend auf der Abstandsverteilungsinformation, die erhalten wird aus dem Abstandsbild, das heißt, daß in der Höhenberechnungssektion 40, annehmend eine ebene oder kurvige Oberfläche von Abstandsinformationen von vielen Punkten auf dem Grund, die Länge der senkrechten Linie (oder möglicherweise einer vertikalen Linie) vom Flugobjekt zum Grund oder der kurvigen Oberfläche definiert ist, eine Grundhöhe zu sein. In dieser Ausführungsform wird die Grundoberfläche detektiert als eine Ebene aus der Abstandsinformation von multiplen Punkten auf dem Grund und die Länge einer senkrechten Linie vom Flugobjekt herunter zu dieser Ebene wird erhalten als eine Grundhöhe. Um die Berechnung zu beschleunigen, werden die Prozesse im wesentlichen vereinfacht.

Da die Abstände zu den multiplen Punkten im Bild gemessen werden und diese Abstandsinformation zur Berechnung verwendet wird, nicht nur als eine Ebene sondern ebenso als eine Auf- und Ab-Oberfläche kann weiterhin ein treppenähnliches Terrain oder dergleichen über den weiten Bereich mit guter Präzision erkannt werden.

Als nächstes wird ein Prozess der Berechnung einer Höhe in der Höhenberechnungssektion 40 beschrieben unter Bezugnahme der in den 2 und 3 gezeigten Flußdiagramme.

Im allgemeinen, im Falle, in dem die Grundoberfläche erfaßt wird als Ebene aus der Abstandsinformation von multiplen Punkten, wenn die Abstandsinformation die Ebene nicht konstituierend dort nicht enthalten ist, weist diese Information einen großen Effekt auf die Erfassung der Höhe auf. Im Falle, in dem Rauschen oder projektionsähnliche Objekte erfaßt werden, werden dieses Rauschen oder Objekte ausgedrückt als pekuliäre (seltsame) Punkte mit offensichtlich unterschiedlichen Werten von anderen kohärenten Punkten. Gemäß des Prozesses des Löschens pekuliärer Punkte in dieser Ausführungsform, werden daher zunächst diese pekuliären Punkte gelöscht aus dem Abstandsbild und weiterhin, wenn das Koordinatensystem transformiert worden ist vom Bildraum in den aktuellen Raum, werden die Abstandsdaten, die zu unterschiedlichen Serien von Abstandsdaten gehören, gelöscht. Unter Verwendung der Abstandsdaten, von denen die pekuliären Punkte gelöscht werden, wird eine Ebene erschaffen aus den Abstandsdaten aus multiplen Punkten im Realraumkoordinatensystem.

Im besonderen im in 2 gezeigten Flußdiagramm wird im Schritt S 1100 das Abstandsbild gelesen und die pekuliären Punkte, deren Wert weit entfernt vom Wert der Maximalfrequenz ist, vom gesamten Abstandsbild gelöscht. Der Prozess in diesem Schritt S 100 ist ein Vorprozess zum Sichern eines Daten-Löschungsfilterprozesses unregelmäßiger, der nachfolgend beschrieben wird in einem Schritt S400. Im Falle des Abstandsbildes mit einer Bildgröße, zusammengesetzt aus 400 (lateral) × 200 (longitudinal) Bildelementen, wird beispielsweise dieses Abstandsbild geteilt in kleine Regionen oder Blöcken mit Distanzdaten (Abweichungsbetrag eines Bildelementes), wobei jeder von diesen zusammengesetzt ist aus 8 (lateral) × 4 (longitudinal) Bildelementen. Darüberhinaus wird dieses Abstandsbild geteilt in 25 Mediumregionen, von denen jede zusammengesetzt ist aus 80 (lateral) × 40 (longitudinal) Bildelementen. Entsprechende Mediumregionen beinhalten 100 (10 × 10) kleine Regionen und ein Histogramm eines Abweichungsbetrages wird dargestellt für diese entsprechenden Mediumregionen. Bei Vergleich mit den Abstandsdaten mit einer maximalen Frequenz in diesem Histogramm, wenn die Abstandsdaten einen spezifischen Bereich überschreiten (+1 der Distanzdaten der maximalen Frequenz), wird der Abweichungsbetrag des Blockes Null gelassen, um diesen pekuliären Punkt zu löschen.

Anschließend geht das Programm zu einem Schritt S 200, in dem eine Vielzahl an gesampelten Regionen selektiert werden im Abstandsbild und die Position der gesampelten Regionen auf der Bildoberfläche korrigiert werden zur Position, die keine Verzerrung an der Linse aufweist. Beispielsweise werden 357 Blöcke von kleinen Regionen, zusammengesetzt aus 8 (lateral) × 4 (longitudinal), ausgewählt aus dem Bild, das heißt, daß lateral 21 Blöcke für jede 16 Bildelemente und longitudinal 17 Blöcke für jede 8 Bildelemente. Ein Abstand R zwischen der Position des Abstandsbildes und eines Punktes der Intersektion der optischen Achse und der Bildoberfläche wird korrigiert gemäß eines Korrekturwertes D, ausgedrückt in der folgenden Formel (1). D = A·RS + B·R3 + C·R (1) wobei A, B und C Korrekturkoeffizienten sind, die bestimmt werden durch Linsenhersteller oder mittels Experimenten.

Anschließend wird in einem Schritt S 300 eine dreidimensionale Koordinate einer von entsprechend gesampelten kleinen Regionen im Realbild erhalten aus der korrigierten Position und die Abstandsdaten jeder gesampelten Region auf der CD-Oberfläche. Weiterhin wird in einem Schritt S 400 ein unregelmäßig-ebener Löschungsfilterprozess zum Löschen von Bildelementen, nicht konstituierend die Ebene vom Abstandsbild, durchgeführt. In diesem Prozess, wie in den 4a und 4b gezeigt, notiznehmend von einer Linie auf der Bildkoordinate (i-Achse lateral, j-Achse vertikal), wird eine Serie von Daten erhalten auf der Realraumkoordinate (X-Achse lateral, Z-Achse longitudinal).

Anschließend werden diese Datenserien approximiert zu einer linearen Gleichung gemäß der kleinsten Quadrate, wie in 4b gezeigt. Zu dieser Zeit werden lediglich Daten innerhalb eines spezifischen Bereiches (gezeigt mittels Schlitzen) verwendet zum Erhalten einer Ebene und Daten außerhalb des spezifischen Bereiches gelöscht. Dieser Prozess wird wiederholt mittels Abtastens von oben nach unten, um die Abstandsinformationen zu löschen, die nicht eine Ebene konstituieren als pekuliäre Punkte vom Abstandsbild.

Anschließend wird nach Löschen der ungeachteten Abstandsinformationen ein Höhenberechnungsprozess durchgeführt, wie in einem Flußdiagramm der 3 gezeigt. Als erstes wird in einem Schritt S 500 eine Gleichung einer Ebene, wie in der folgenden Gleichung (2) gezeigt, aufgestellt, basierend auf Gruppen von Daten von Koordinaten (x, y, z), transformiert vom Bildraum in den Realraum unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate. ax + by + cz = 1(2)

Anschließend werden die Matrix-Ausdrücke gelöst, die entsprechenden Koeffizienten, a, b und c erhalten. Danach geht das Programm zu einem Schritt S 600, in dem die Länge h der vertikalen Linie von der Kamera erhalten wird entsprechend der folgenden Formel (3).

Diese Länge h ist eine Grundhöhe. h = 1/(a2 + b2 + c2)1/2(3)


Anspruch[de]
  1. Höhenmeßvorrichtung zum Messen einer Höhe eines Flugobjektes, aufweisend:

    eine stereoskopische Kamera (10), die angeordnet ist auf dem Flugobjekt, um ein stereoskopisches Bild einer Grundoberfläche unter dem Flugobjekt aufzunehmen;

    eine stereoskopische Verarbeitungssektion (30) zum Verarbeiten eines Bildpaares, abgebildet durch die stereoskopische Kamera (10), und zur Berechnung der Abstandsdaten der Grundoberfläche; und

    eine Höhenberechnungssektion (40) zum Erstellen einer Konfiguration der Grundoberfläche, basierend auf den Abstandsdaten einer Vielzahl von Meßpunkten auf der Grundoberfläche, um eine Höhe des Flugobjektes zur Grundoberfläche zu berechnen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die stereoskopische Kamera (10) zwei Kameras (10a, 10b) aufweist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend:

    Korrekturmittel zum Korrigieren der Linsenverzerrung der Kamera (10), um die Abstandsdaten akkurater zu gestalten.
  4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Höhenberechnungssektion (40) eine Ebene von der Konfiguration der Grundoberfläche erstellt und eine Länge einer senkrechten Linie zur Ebene als eine Höhe des Flugobjektes berechnet.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 5, aufweisend:

    Abstandsdatenlöschungsmittel zur Approximation einer Serie der Abstandsdaten zu einer geraden Strecke und zum Löschen der Abstandsdaten außerhalb eines spezifizierten Bereiches, etabliert um die gerade Strecke als eine Dateninformation, nicht die Ebene aufbauend.
  6. Verfahren zur Bestimmung der Höhe eines niedrig fliegenden Objektes, aufweisend:

    Aquirieren eines Referenzbildes auf einer Grundoberfläche von einer Primärkamera (10a) in einer stereoskopischen Kamera (10) und eines Vergleichsbildes der Grundoberfläche von einer subsidiären Kamera (10b), angebracht auf dem Flugobjekt,

    Durchführen eines Stereomatchings von jeder der verschiedenen Regionen jedes Bildes, um Abstandsdaten der Subjektregion zu erhalten,

    Kreieren einer Konfiguration der Grundoberfläche, basierend auf den Abstandsdaten von einer Mehrzahl an Meßpunkten auf der Grundoberfläche,

    Ableiten des senkrechten Abstandes des Flugobjektes zur Konfiguration.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine nominale Oberfläche, die aus einer ebenen Oberfläche oder einer einfachen gekrümmten Oberfläche besteht, an die Grundoberfläche angepaßt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Abstandsdaten, die die Grundoberfläche nicht fitten, definiert sind als ein Pekuliarpunkt, wobei die Pekuliarpunkte gelöscht werden von der Grundoberfläche.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, aufweisend das Korrigieren der Verzerrung, verursacht von den Kameralinsen, vom Abstandsbild.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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