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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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1 ein
schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Messen einer Höhe ist;
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2 ein
Flußdiagramm
ist, das ein Verfahren zum Löschen
seltsamer (pekuliärer)
Punkte zeigt;
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3 ein
Flußdiagramm
ist, das ein Verfahren zum Berechnen einer Höhe darstellt;
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4 ein Abstandsbild auf einer Koordinate mit
einer horizontalen Achse i und einer vertikalen Achse j ist; und
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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.
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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 Höhenberech nungssektion 40 zum
Berechnen einer Grundhöhe
aus der Abstandsinformation aus einer Vielzahl von erfaßten Punkten.
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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.
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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.
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Die
stereoskopische Verarbeitungssektion 30 ist aufgebaut aus
einem hoch integrierten FPGA, enthaltend einen City-Block-Abstandsberechnungsschaltkreis,
einen Abwei chungserfassungsschaltkreis 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.
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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.
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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.
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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.
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Als
nächstes
wird ein Prozess der Berechnung einer Höhe in der Höhenberechnungssektion 40 beschrieben
unter Bezugnahme der in den 2 und 3 gezeigten
Flußdiagramme.
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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 Abstands daten,
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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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)
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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).
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Diese
Länge h
ist eine Grundhöhe. h = 1/(a2 +
b2 + c2)1/2 (3)