RU2800188C1 - Method for high-precision determination of angles of inclination of controlled engineered or natural object during geodetic monitoring using computer vision technology in real time under extremely low ambient temperatures, and device for its implementation - Google Patents
Method for high-precision determination of angles of inclination of controlled engineered or natural object during geodetic monitoring using computer vision technology in real time under extremely low ambient temperatures, and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2800188C1 RU2800188C1 RU2022132087A RU2022132087A RU2800188C1 RU 2800188 C1 RU2800188 C1 RU 2800188C1 RU 2022132087 A RU2022132087 A RU 2022132087A RU 2022132087 A RU2022132087 A RU 2022132087A RU 2800188 C1 RU2800188 C1 RU 2800188C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bubble
- controlled object
- digital
- inclination
- angles
- Prior art date
Links
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims description 60
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 59
- 230000004438 eyesight Effects 0.000 title claims description 35
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 title claims description 27
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 94
- 239000002775 capsule Substances 0.000 claims description 38
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 32
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 30
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 26
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 18
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 17
- 230000005499 meniscus Effects 0.000 claims description 17
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 17
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 claims description 15
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 12
- 238000007667 floating Methods 0.000 claims description 11
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 11
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 10
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000010801 machine learning Methods 0.000 claims description 6
- 230000001476 alcoholic effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 22
- 239000003708 ampul Substances 0.000 description 11
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- QVFWZNCVPCJQOP-UHFFFAOYSA-N chloralodol Chemical compound CC(O)(C)CC(C)OC(O)C(Cl)(Cl)Cl QVFWZNCVPCJQOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000003449 preventive effect Effects 0.000 description 4
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 241000669069 Chrysomphalus aonidum Species 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000937908 Pricea Species 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 description 1
- 230000002547 anomalous effect Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000016776 visual perception Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Технические решения относятся к области высокоточных геодезических измерений, а именно к способам и устройствам получения, обработки и отображения геопространственной информации, компьютерным средствам преобразования с применением высокоточной технологии компьютерного зрения, и могут быть использованы в автоматизированных системах дистанционного определения пространственного положения элементов инженерных или природных объектов относительно горизонта для ведения непрерывного геодезического мониторинга деформационных процессов конструкций инженерных сооружений, таких как плотины ГЭС, камеры шлюзов, мосты, нефтепроводы и газопроводы, нефтяные и газовые скважины или элементов природных объектов, таких как земляные дамбы, насыпи, зоны селевых потоков, промышленные карьеры, участки интенсивной добычи полезных ископаемых, в режиме реального времени, с целью определения кренов конструкций инженерных сооружений, предиктивной диагностики целостности сооружений, оперативного обнаружения первичных признаков потери устойчивости сооружения и выработки четких превентивных управляющих решений для предотвращения аварийных ситуаций на контролируемом объекте, инженерном или природном (далее - контролируемый объект).Technical solutions relate to the field of high-precision geodetic measurements, namely, to methods and devices for obtaining, processing and displaying geospatial information, computer conversion tools using high-precision computer vision technology, and can be used in automated systems for remote determination of the spatial position of elements of engineering or natural objects relative to the horizon for continuous geodetic monitoring of deformation processes in structures of engineering structures, such as hydroelectric dams, lock chambers, bridges, oil pipelines and gas pipelines, oil and gas wells or natural elements. objects, such as earthen dams, embankments, mudflow zones, industrial quarries, areas of intensive mining, in real time, in order to determine the rolls of structures of engineering structures, predictive diagnostics of the integrity of structures, prompt detection of primary signs of loss of stability of the structure and development of clear preventive control decisions to prevent accidents at a controlled object, engineering or natural (hereinafter referred to as the controlled object).
Известен способ по авт. св. СССР №1420370, МПК G01C 9/24 (2000.01), опубл. 30.08.1988, взятый в качестве аналога. Сущность данного способа измерения угла наклона контролируемого объекта относительно горизонта заключается в том, что устанавливают на контролируемом объекте пузырьковую ампулу, помещают ее в электрическое поле и по изменению параметра этого поля определяют угол наклона контролируемого объекта, при этом в самой ампуле возбуждают импульсное электромагнитное поле бегущей волны, измеряют отраженный сигнал, а определение угла наклона контролируемого объекта осуществляют по величине или времени прихода отраженного сигнала.A known method according to ed. St. USSR No. 1420370, IPC G01C 9/24 (2000.01), publ. 08/30/1988, taken as an analogue. The essence of this method for measuring the angle of inclination of a controlled object relative to the horizon lies in the fact that a bubble ampoule is installed on the controlled object, placed in an electric field, and the angle of inclination of the controlled object is determined by changing the parameter of this field, while a pulsed electromagnetic field of a traveling wave is excited in the ampoule itself, the reflected signal is measured, and the angle of inclination of the controlled object is determined by the magnitude or time of arrival of the reflected signal.
Общими признаками предлагаемого технического решения и аналога являются: способ высокоточного определения углов наклона контролируемого объекта (в аналоге - способ измерения угла наклона объекта относительно горизонта), измерение с помощью устройства на основе уровня пузырькового типа, закрепленного на элементах конструкций контролируемого объекта, относительных смещений свободно плавающего по поверхности мениска газового пузырька в жидкости, замкнутых в полости осесимметричной капсулы, определение пространственного изменения положения светового пятна пузырька в полости капсулы относительно оси симметрии капсулы, сравнение полученных данных результатов измерений между собой, регистрация данных в виде направления и величины наклона контролируемого объекта (в аналоге - устанавливают на контролируемом объекте пузырьковую ампулу, помещают ее в электрическое поле и по изменению параметра этого поля определяют угол наклона контролируемого объекта, при этом в самой ампуле возбуждают импульсное электромагнитное поле бегущей волны, измеряют отраженный сигнал, а определение угла наклона контролируемого объекта осуществляют по величине или времени прихода отраженного сигнала).The common features of the proposed technical solution and analogue are: a method for high-precision determination of the angles of inclination of a controlled object (in analog - a method for measuring the angle of inclination of an object relative to the horizon), measuring, using a device based on a bubble-type level fixed on structural elements of a controlled object, relative displacements of a gas bubble in a liquid freely floating on the meniscus surface, closed in the cavity of an axisymmetric capsule, determining the spatial change in the position of the light spot of the bubble in the capsule cavity relative to the axis of symmetry of the capsule, comparing the results obtained measurements between themselves, recording data in the form of the direction and magnitude of the inclination of the controlled object (in the analogue, a bubble ampoule is installed on the controlled object, placed in an electric field, and the angle of inclination of the controlled object is determined by changing the parameter of this field, while a pulsed electromagnetic field of a traveling wave is excited in the ampoule itself, the reflected signal is measured, and the angle of inclination of the controlled object is determined by the value or time of arrival of the reflected signal).
Основным недостатком данного способа является отсутствие прямого измерения отклонения контролируемого объекта с одновременным прямым преобразованием направления и величины наклона контролируемого объекта в электрический сигнал, что не позволяет использовать его в системах дистанционного определения пространственного положения контролируемых объектов относительно горизонта для ведения непрерывного геодезического мониторинга деформационных процессов конструкций инженерных сооружений в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды.The main disadvantage of this method is the lack of direct measurement of the deviation of the controlled object with simultaneous direct conversion of the direction and magnitude of the inclination of the controlled object into an electrical signal, which does not allow using it in systems for remote determination of the spatial position of controlled objects relative to the horizon for continuous geodetic monitoring of deformation processes of engineering structures in real time under conditions of extremely low ambient temperatures.
Известен способ по патенту РФ №2655024, МПК G01C 9/06 (2006.01), G01C 9/24 (2006.01), опубл. 23.05.2018 г. в БИ №15, взятый в качестве прототипа. Сущность данного способа заключается в том, что для измерения угла наклона контролируемого объекта в системах визуального и электронного дистанционного определения пространственного положения контролируемого объекта относительно горизонта уровнями пузырькового типа одновременно с визуальным измерением смещения свободно плавающего по вогнутой поверхности мениска газового пузырька в жидкости измеряют фототоки от светового пятна пузырька и поляризационные токи от его пространственного положения в полости, а затем сравнивают между собой с помощью пленочных фоторезисторов. Тем самым угол наклона контролируемого объекта определяют с визуальным измерением и одновременным преобразованием в электрический сигнал направления и величины наклона контролируемого объекта.A known method according to the patent of the Russian Federation No. 2655024, IPC G01C 9/06 (2006.01), G01C 9/24 (2006.01), publ. 05/23/2018 in BI No. 15, taken as a prototype. The essence of this method lies in the fact that in order to measure the angle of inclination of a controlled object in systems for visual and electronic remote determination of the spatial position of a controlled object relative to the horizon by bubble-type levels, simultaneously with a visual measurement of the displacement of a gas bubble freely floating on the concave surface of the meniscus in a liquid, photocurrents from the light spot of the bubble and polarization currents from its spatial position in the cavity are measured, and then compared with each other using film photoresistors. Thus, the angle of inclination of the controlled object is determined with visual measurement and simultaneous conversion into an electrical signal of the direction and magnitude of the inclination of the controlled object.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются: способ высокоточного определения углов наклона контролируемого объекта (в прототипе - способ измерения угла наклона объекта), с помощью устройства на основе уровня пузырькового типа, закрепленного на элементах конструкций контролируемого объекта, измеряют относительные смещения свободно плавающего по поверхности мениска газового пузырька в жидкости, замкнутого в полости осесимметричной капсулы при отклонении ее оси симметрии относительно отвесной линии, при этом центр шкалы находится на оси симметрии капсулы, определяют пространственные изменения положения светового пятна пузырька в полости капсулы относительно оси симметрии капсулы, полученные данные результатов измерений сравнивают между собой и регистрируют в виде направления и величины наклона контролируемого объекта.The common features of the proposed technical solution and the prototype are: a method for high-precision determination of the angles of inclination of a controlled object (in the prototype, a method for measuring the angle of inclination of an object), using a device based on a bubble-type level fixed on structural elements of a controlled object, the relative displacements of a gas bubble freely floating on the surface of the meniscus in a liquid, closed in the cavity of an axisymmetric capsule when its axis of symmetry deviates relative to a plumb line, while the center of the scale is on the axis of symmetry of the capsule, determine the spatial changes in the position of the light spot of the bubble in the cavity of the capsule relative to the axis of symmetry of the capsule, the obtained data of the measurement results are compared with each other and recorded in the form of the direction and magnitude of the inclination of the controlled object.
Основным недостатком данного способа является невозможность использования его в средствах автоматизации измерительного процесса, в системах дистанционного определения пространственного положения контролируемых объектов относительно горизонта для ведения непрерывного геодезического мониторинга деформационных процессов конструкций инженерных сооружений в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды, так как угол наклона контролируемого объекта, преобразованного в электрический сигнал, определяют визуальным измерением с одновременным определением направления и величины наклона контролируемого объекта только в индикаторной форме.The main disadvantage of this method is the impossibility of using it in automation tools for the measuring process, in systems for remote determination of the spatial position of controlled objects relative to the horizon for continuous geodetic monitoring of deformation processes in engineering structures in real time under conditions of extremely low ambient temperatures, since the angle of inclination of the controlled object, converted into an electrical signal, is determined by visual measurement with simultaneous determination of the direction and magnitude of the inclination of the controlled object only in indicator form.
Известно устройство по авт. св. СССР №1420370, МПК G01C 9/24 (2000.01), опубл. 30.08.1988, взятое в качестве аналога. Сущность данного устройства для измерения угла наклона контролируемого объекта относительно горизонта заключается в том, что устанавливают на контролируемом объекте пузырьковую ампулу, которая содержит размещенные на ее поверхности два электрода и подключенный к ним блок питания и измерения, при этом электроды выполнены в виде проводников, расположенных вдоль поверхности пузырьковой ампулы и образующих с нею линию передачи с распределенными параметрами, а блок питания и измерения выполнен в виде импульсного СВЧ-рефлектора, подключенного к одной паре концов обоих проводников, и согласованного нагрузочного сопротивления, подключенного к другой паре концов этих проводников. Помещают устройство в электрическое поле и по изменению параметра этого поля определяют угол наклона контролируемого объекта, при этом в ампуле возбуждают импульсное электромагнитное поле бегущей волны, измеряют отраженный сигнал, а определение угла наклона контролируемого объекта осуществляют по величине или времени прихода отраженного сигнала.Known device by author. St. USSR No. 1420370, IPC G01C 9/24 (2000.01), publ. 08/30/1988, taken as an analogue. The essence of this device for measuring the angle of inclination of a controlled object relative to the horizon lies in the fact that a bubble ampoule is installed on the controlled object, which contains two electrodes placed on its surface and a power supply and measurement unit connected to them, while the electrodes are made in the form of conductors located along the surface of the bubble ampoule and forming with it a transmission line with distributed parameters, and the power supply and measurement unit is made in the form of a pulsed microwave reflector connected to one pair of ends of both conductors, and matched load resistance connected to the other pair of ends of these conductors. The device is placed in an electric field, and by changing the parameter of this field, the angle of inclination of the controlled object is determined, while a pulsed electromagnetic field of the traveling wave is excited in the ampoule, the reflected signal is measured, and the angle of inclination of the controlled object is determined by the magnitude or time of arrival of the reflected signal.
Общими признаками предлагаемого технического решения и аналога являются: устройство для высокоточного определения углов наклона контролируемого объекта (в аналоге - устройство измерения угла наклона объекта относительно горизонта), устройство содержит электрически связанные между собой измерительный модуль, включающий измерительный блок на основе уровня пузырькового типа и модуль получения данных результатов измерений углов наклона контролируемого объекта (в аналоге - устройство содержит пузырьковую ампулу, устанавливаемую на контролируемом объекте в процессе измерения, блок питания и измерения).The common features of the proposed technical solution and analogue are: a device for high-precision determination of the angles of inclination of a controlled object (in analog - a device for measuring the angle of an object's inclination relative to the horizon), the device contains an electrically interconnected measuring module, including a measuring unit based on the level of the bubble type and a module for obtaining data on the results of measurements of the angles of inclination of the controlled object (in the analog, the device contains a bubble ampoule installed on the controlled object during the measurement process, a power supply and measurements).
Основным недостатком данного устройства является сложность конструкции, отсутствие прямого измерения положения газового пузырька в ампуле, соответствующее отклонению контролируемого объекта и отсутствие одновременного прямого преобразования направления и величины наклона контролируемого объекта в электрический сигнал, что не позволяет использовать это устройство в системах дистанционного определения пространственного положения контролируемых объектов относительно горизонта для ведения непрерывного геодезического мониторинга деформационных процессов конструкций инженерных сооружений в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды.The main disadvantage of this device is the complexity of the design, the absence of direct measurement of the position of the gas bubble in the ampoule, corresponding to the deviation of the controlled object and the absence of simultaneous direct conversion of the direction and magnitude of the inclination of the controlled object into an electrical signal, which does not allow using this device in systems for remote determination of the spatial position of controlled objects relative to the horizon for continuous geodetic monitoring of deformation processes of engineering structures in real time under conditions of extremely low ambient temperatures.
Известны измерительные геодезические приборы на основе уровня пузырькового типа, например прецизионное оптическое устройство «Квадрант» [Квадрант оптический КО-10. Паспорт АЛ 2.787.046 ПС - 2007, ОАО «Новосибирский приборостроительный завод»], взятое в качестве аналога. Сущность данного устройства заключается в том, что его оптико-электронный измерительный блок, который имеет высокую чувствительность, устанавливают на контролируемом объекте совместно со штативом, который служит основой для установления истинной горизонтали или вертикали на основе уровня пузырькового типа, с прямым визуальным измерением, дающим наглядность в определении направления и величины наклона контролируемого объекта.Known measuring geodetic instruments based on the level of the bubble type, such as precision optical device "Quadrant" [Quadrant optical KO-10. Passport AL 2.787.046 PS - 2007, OJSC "Novosibirsk Instrument-Making Plant"], taken as an analogue. The essence of this device lies in the fact that its optoelectronic measuring unit, which has a high sensitivity, is installed on the controlled object together with a tripod, which serves as the basis for establishing the true horizontal or vertical based on the bubble type level, with direct visual measurement, which gives clarity in determining the direction and magnitude of the inclination of the controlled object.
Общими признаками предлагаемого технического решения и аналога являются: устройство для высокоточного определения углов наклона контролируемого объекта при геодезическом мониторинге (в аналоге - измерительный геодезический прибор на основе уровня пузырькового типа), устройство содержит электрически связанные между собой измерительный модуль, включающий оптико-электронный измерительный блок на основе пузырькового уровня; модуль получения данных результатов измерений углов наклона контролируемого объекта (в аналоге - устройство содержит электрически связанные между собой измерительный модуль, включающий оптико-электронный измерительный блок на основе уровня пузырькового типа; модуль получения данных результатов измерений углов наклона контролируемого объекта).Common features of the proposed technical solution and analog are: a device for high-precision determination of the angles of inclination of a controlled object during geodetic monitoring (in analog - a measuring geodetic device based on a bubble type level), the device contains an electrically interconnected measuring module, including an optical-electronic measuring unit based on bubble level; module for obtaining data on the results of measurements of the angles of inclination of the controlled object based on bubble type level; module for obtaining data on the results of measurements of the angles of inclination of the controlled object).
Основным недостатком данного устройства является невозможность преобразования направления и величины наклона контролируемых объектов в электрический сигнал и, как следствие, невозможность использования его в средствах автоматизации измерительного процесса с одновременным прямым преобразованием направления и величины наклона контролируемого объекта в электрический сигнал, что не позволяет использовать это устройство в системах дистанционного определения пространственного положения контролируемого объекта относительно горизонта для ведения непрерывного геодезического мониторинга деформационных процессов конструкций инженерных сооружений в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды. Кроме того, такое устройство имеет ограниченный диапазон измерения угла наклона, а субъективные зрительное восприятие и ракурс при работе с этим устройством увеличивают погрешность измерения, особенно в условиях экстремально низких температур окружающей среды.The main disadvantage of this device is the impossibility of converting the direction and magnitude of the inclination of controlled objects into an electrical signal and, as a result, the impossibility of using it in means of automation of the measuring process with simultaneous direct conversion of the direction and magnitude of the inclination of the controlled object into an electrical signal, which does not allow using this device in systems for remote determination of the spatial position of the controlled object relative to the horizon for continuous geodetic monitoring of deformation processes of engineering structures in real time under conditions of extremely low ambient temperatures. In addition, such a device has a limited tilt angle measurement range, and subjective visual perception and angle when working with this device increase the measurement error, especially under conditions of extremely low ambient temperatures.
Известно устройство по патенту РФ №2419071, МПК G01C 9/00 (2006.01), опубл. 25.05.2011 г. в Бюл. №14, взятое в качестве аналога. Сущность данного устройства заключается в том, что для измерения угла наклона контролируемого объекта относительно горизонта используют видеонаклономер, содержащий сосуд с жидкостью, над которой установлены оптически связанные друг с другом и с поверхностью жидкости объектив, светоделительный элемент, источник света и позиционно-чувствительный фотоприемник, формирующий видеосигнал с видеокадрами, при этом между объективом и поверхностью жидкости установлено зеркало с круглым окном, центр которого лежит на оптической оси объектива, зеркало закреплено под углом к основанию сосуда так, чтобы два изображения источника света в видеокадре, первое - отраженное от поверхности жидкости и второе - отраженное от зеркала, не накладывались друг на друга во всем диапазоне измерений, при этом диаметр окна в зеркале определяется по соответствующей формуле. Зеркало закреплено под углом наклона к основанию видеонаклономера так, что изображение от зеркала располагается, например, в углу видеокадра. При этом оно остается неподвижным, независимо от наклонов основания сосуда с жидкостью. В исходном состоянии, когда сосуд установлен на горизонтальной поверхности, изображение от поверхности жидкости располагается в центре видеокадра. При наклонах контролируемой поверхности первое изображение перемещается в видеокадре так, что расстояние между ним и вторым фиксированным изображением находится в строгой зависимости от искомого угла наклона контролируемой поверхности, что и служит основанием для выполнения измерений. Измерения осуществляются на основе компьютерной обработки видеосигнала позиционно-чувствительного приемника, содержащего первое изображения и второе изображение. При этом важно, чтобы яркость этих изображений в видеокадре была одинаковой.A device is known according to the patent of the Russian Federation No. 2419071, IPC G01C 9/00 (2006.01), publ. May 25, 2011 in Bull. No. 14, taken as an analogue. The essence of this device lies in the fact that to measure the angle of inclination of the controlled object relative to the horizon, a video tiltmeter is used, containing a vessel with a liquid, above which a lens, a beam-splitting element, a light source and a position-sensitive photodetector are installed that form a video signal with video frames, while between the lens and the liquid surface a mirror with a round window is installed, the center of which lies on the optical axis of the lens, the mirror is fixed at an angle to the base of the vessel so that two images of the light source in the video frame , the first - reflected from the surface of the liquid and the second - reflected from the mirror, did not overlap each other in the entire measurement range, while the diameter of the window in the mirror is determined by the corresponding formula. The mirror is fixed at an angle to the base of the video tiltmeter so that the image from the mirror is located, for example, in the corner of the video frame. At the same time, it remains motionless, regardless of the inclination of the base of the vessel with liquid. In the initial state, when the vessel is installed on a horizontal surface, the image from the liquid surface is located in the center of the video frame. When the controlled surface is tilted, the first image moves in the video frame so that the distance between it and the second fixed image is strictly dependent on the desired tilt angle of the controlled surface, which serves as the basis for performing measurements. The measurements are carried out on the basis of computer processing of the video signal of the position-sensitive receiver containing the first image and the second image. It is important that the brightness of these images in the video frame is the same.
Общими признаками предлагаемого технического решения и аналога являются: устройство для высокоточного определения углов наклона контролируемого объекта (в аналоге - видеонаклономер), устройство содержит электрически связанные между собой измерительный модуль, включающий оптико-электронный измерительный блок на основе уровня пузырькового типа (в аналоге - устройство содержит сосуд с жидкостью), источником излучения (в аналоге - источник света) и детектор в виде цифровой видеокамеры (в аналоге - позиционно-чувствительный фотоприемник, формирующий видеосигнал с видеокадрами), модуль получения данных результатов измерений углов наклона контролируемого объекта на основе компьютерной обработки видеосигнала.The common features of the proposed technical solution and analogue are: a device for high-precision determination of the angles of inclination of a controlled object (in analog - a video inclinometer), the device contains an electrically interconnected measuring module, including an optoelectronic measuring unit based on a bubble-type level (in analog - the device contains a vessel with liquid), a radiation source (in analog - a light source) and a detector in the form of a digital video camera (in analog - a position-sensitive photodetector that generates a video signal with video frames), a module for obtaining data on the results of measurements of the angles of inclination of the controlled object based on computer processing of the video signal.
Основным недостатком данного устройства является ограниченность использования его в средствах автоматизации измерительного процесса, в системах дистанционного определения пространственного положения контролируемого объекта относительно горизонта для ведения непрерывного геодезического мониторинга деформационных процессов конструкций инженерных сооружений в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды, так как угол наклона контролируемого объекта, преобразованного в видеосигнал, определяют только фиксацией направления и величины наклона контролируемого объекта в индикаторной форме. Наличие источника света в оптической системе видеонаклономера при нестабильности уровня освещенности создает дополнительную погрешность и, тем самым, снижает точность измерения, а значит, точность работы устройства в целом. Также применение сосуда с жидкостью, с требуемым коэффициентом отражения поверхности жидкости (чтобы яркость двух изображений в видеокадре была одинаковой), над которой установлены оптически связанные друг с другом и с поверхностью жидкости объектив, светоделительный элемент, по причине сложности исполнения оптической части конструкции, существенно увеличивает вероятность дополнительной погрешности и, тем самым, снижает точность измерения, а значит, точность работы устройства в целом. Прецизионность изготовления, обязательная предварительная настройка оптической части конструкции в полевых условиях после транспортировки, из-за требований к точности измерений, существенно снижает эксплуатационные качества данного устройства в полевых условиях, в условиях экстремально низких температур окружающей среды. Кроме того, сложность конструкции оптической части данного устройства приводит к увеличению стоимости оборудования в целом.The main disadvantage of this device is the limited use of it in means of automation of the measuring process, in systems for remote determination of the spatial position of a controlled object relative to the horizon for continuous geodetic monitoring of deformation processes in engineering structures in real time under conditions of extremely low ambient temperatures, since the angle of inclination of the controlled object, converted into a video signal, is determined only by fixing the direction and magnitude of the inclination of the controlled object in indicator form. The presence of a light source in the optical system of the video tiltmeter with instability of the illumination level creates an additional error and, thereby, reduces the measurement accuracy, and hence the accuracy of the device as a whole. Also, the use of a vessel with a liquid, with the required reflection coefficient of the liquid surface (so that the brightness of the two images in the video frame is the same), above which a lens, a beam-splitting element is optically connected to each other and to the liquid surface, due to the complexity of the optical part of the design, significantly increases the likelihood of an additional error and, thereby, reduces the measurement accuracy, and hence the accuracy of the device as a whole. Precision manufacturing, mandatory pre-adjustment of the optical part of the structure in the field after transportation, due to the requirements for measurement accuracy, significantly reduces the performance of this device in the field, in conditions of extremely low ambient temperatures. In addition, the complexity of the design of the optical part of this device leads to an increase in the cost of the equipment as a whole.
Известно устройство по патенту РФ №2655024, МПК G01C 9/06 (2006.01), G01C 9/24 (2006.01), опубл. 23.05.2018 г. в БИ №15, взятое в качестве прототипа. Сущность данного устройства заключается в том, что для измерения угла наклона контролируемого объекта относительно горизонта уровнями пузырькового типа одновременно с визуальным измерением смещения свободно плавающего по вогнутой поверхности мениска газового пузырька в жидкости измеряют фототоки от светового пятна пузырька и поляризационные токи от его пространственного положения в полости, а затем сравнивают между собой с помощью пленочных фоторезисторов, выполненных в виде четырех конгруэнтных круговых квадрантов, и оптически прозрачных пленочных электродов, выполненных в виде четырех конгруэнтных сферических треугольников так, что их проекции на основание совпадают с круговыми квадрантами пленочных фоторезисторов и образуют обкладки четырех конденсаторов. При этом два противолежащих пленочных электрода и два противолежащих пленочных фоторезистора, биссектрисы центральных углов которых коллинеарны одной из ортогональных осей координат, электрически связаны между собой и источником питания в измерительный мост, измерительная диагональ которого электрически связана с соответствующим каналом индикатора. Тем самым угол наклона контролируемого объекта определяют с визуальным измерением и одновременным преобразованием в электрический сигнал направления и величины наклона контролируемого объекта.A device is known according to the patent of the Russian Federation No. 2655024, IPC G01C 9/06 (2006.01), G01C 9/24 (2006.01), publ. 05/23/2018 in BI No. 15, taken as a prototype. The essence of this device lies in the fact that in order to measure the angle of inclination of the controlled object relative to the horizon with bubble-type levels, simultaneously with the visual measurement of the displacement of a gas bubble freely floating on the concave surface of the meniscus in the liquid, photocurrents from the light spot of the bubble and polarization currents from its spatial position in the cavity are measured, and then they are compared with each other using film photoresistors made in the form of four congruent circular quadrants and optically transparent film electrodes made in in the form of four congruent spherical triangles so that their projections onto the base coincide with the circular quadrants of the film photoresistors and form the plates of four capacitors. In this case, two opposite film electrodes and two opposite film photoresistors, the bisectors of the central angles of which are collinear to one of the orthogonal coordinate axes, are electrically connected to each other and to the power source in the measuring bridge, the measuring diagonal of which is electrically connected to the corresponding indicator channel. Thus, the angle of inclination of the controlled object is determined with visual measurement and simultaneous conversion into an electrical signal of the direction and magnitude of the inclination of the controlled object.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются: устройство для высокоточного определения углов наклона контролируемого объекта (в прототипе - устройство измерения угла наклона), устройство содержит электрически связанные между собой измерительный модуль, включающий оптико-электронный измерительный блок на основе уровня пузырькового типа (в прототипе - устройство содержит газовый пузырек с жидкостью, замкнутые в полости осесимметричной дискообразной капсулы, состоящей из основания и оптически прозрачного мениска, герметично связанных по периметру между собой), с детектором (в прототипе - четыре пленочных фоторезистора, четыре оптически прозрачных пленочных электрода), источник излучения (в прототипе - источник излучения, выполненный в виде кольца и оптически связанный по периметру мениска с круговой шкалой, радиально-концентрические линии которой выполнены в виде светорассеивающих бороздок), модуль получения данных результатов измерений углов наклона контролируемого объекта (в прототипе - фоторезисторы электрически связаны между собой и источником питания в измерительный мост, измерительная диагональ которого электрически связана с соответствующим каналом индикатора).The common features of the proposed technical solution and the prototype are: a device for high-precision determination of the angles of inclination of a controlled object (in the prototype - a device for measuring the angle of inclination), the device contains an electrically interconnected measuring module, including an optoelectronic measuring unit based on the level of the bubble type (in the prototype - the device contains a gas bubble with liquid, closed in the cavity of an axisymmetric disk-shaped capsule, consisting of a base and an optically transparent meniscus, hermetically connected along the perimeter to each other), with a detector (in the prototype - four film photoresistors, four optically transparent film electrodes), a radiation source (in the prototype - a radiation source made in the form of a ring and optically connected along the perimeter of the meniscus with a circular scale, the radial-concentric lines of which are made in the form of light-scattering grooves), a module for obtaining data on the results of measuring the angles of inclination of the controlled object (in the prototype, the photoresistors are electrically connected to each other and to the power source in the measuring bridge, the measuring diagonal of which is electrically connected to the corresponding indicator channel).
Основным недостатком данного устройства является ограниченность использования его в средствах автоматизации измерительного процесса, в системах дистанционного определения пространственного положения контролируемых объектов относительно горизонта для ведения непрерывного геодезического мониторинга деформационных процессов конструкций инженерных сооружений в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды, так как угол наклона контролируемого объекта, преобразованного в электрический сигнал, определяют визуальным измерением с одновременным определением направления и величины наклона контролируемого объекта только в индикаторной форме. Также применение уровня пузырькового типа в виде капсулы круглой формы требует высокой оптической точности изготовления круглых пузырьковых уровней и снижает диапазон измеряемых углов наклона контролируемого объекта в условиях экстремально низких температур окружающей среды. Наличие источника питания в измерительной цепи за счет нестабильности уровня заряда создает дополнительную погрешность и, тем самым, снижает точность измерения, а значит, точность работы устройства в целом, особенно в условиях экстремально низких температур окружающей среды, а значит, существенно снижается эффективность работы данного устройства.The main disadvantage of this device is the limited use of it in means of automation of the measuring process, in systems for remote determination of the spatial position of controlled objects relative to the horizon for continuous geodetic monitoring of deformation processes in engineering structures in real time under conditions of extremely low ambient temperatures, since the angle of inclination of the controlled object, converted into an electrical signal, is determined by visual measurement with simultaneous determination of the direction and magnitude of the inclination of the controlled object only in indicator form. Also, the use of a bubble-type level in the form of a round capsule requires high optical accuracy in the manufacture of round bubble levels and reduces the range of measured tilt angles of the controlled object under conditions of extremely low ambient temperatures. The presence of a power source in the measuring circuit, due to the instability of the charge level, creates an additional error and, thereby, reduces the measurement accuracy, and hence the accuracy of the device as a whole, especially under conditions of extremely low ambient temperatures, which means that the efficiency of this device is significantly reduced.
Решаемые технические проблемы заключаются в повышении эффективности и надежности способа за счет повышения точности и оперативности доступа к представляемой информации для анализа и оценки состояния контролируемого объекта в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды, а также в повышении эффективности и надежности устройства за счет повышения точности измерения и расширения его функциональных возможностей на прием и обработку получаемых результатов измерений, то есть, автоматизации процесса геодезического мониторинга путем применения устройства интерфейсно-модульного исполнения предложенной конструкции с измерительным модулем и модулем получения данных результатов измерений с возможностью обработки получаемых результатов измерений посредством цифровой технологии компьютерного зрения, что позволяет повысить объем информации и скорость доступа к ней, то есть повысить достоверность получаемых геодезических данных для анализа и оценки состояния элементов контролируемого объекта относительно их проектных значений, а значит - его эффективность и надежность.The technical problems to be solved are to increase the efficiency and reliability of the method by increasing the accuracy and efficiency of access to the information provided for analyzing and assessing the state of the controlled object in real time under conditions of extremely low ambient temperatures, as well as increasing the efficiency and reliability of the device by increasing the measurement accuracy and expanding its functionality for receiving and processing the obtained measurement results, that is, automating the process of geodetic monitoring by using an interface-modular device of the proposed design with a measuring module and a module for obtaining measurement data with the ability to process the obtained measurement results using digital technology computer vision, which allows to increase the amount of information and the speed of access to it, that is, to increase the reliability of the obtained geodetic data for the analysis and assessment of the state of the elements of the controlled object relative to their design values, and hence its efficiency and reliability.
Технические результаты заключаются в повышении точности способа определения углов наклона контролируемого объекта при геодезическом мониторинге за счет повышении точности измерения относительных смещений свободно плавающего по поверхности мениска газового пузырька в жидкости, замкнутого в полости осесимметричной капсулы при отклонении ее оси симметрии относительно отвесной линии в уровнях пузырькового типа и оперативности доступа к представляемой информации для анализа и оценки состояния контролируемого объекта в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды относительно их проектных значений, а также в повышении точности измерения устройства за счет повышении точности измерения положения газового пузырька в пузырьковых уровнях и расширения его функциональных возможностей на прием и обработку получаемых результатов измерений путем расширения рабочего диапазона измерений в диапазоне сверхмалых углов наклона контролируемого объекта, а также путем увеличения объема информации и скорости доступа к ней, то есть, в повышении достоверности получаемых геодезических данных для анализа и оценки состояния элементов контролируемого объекта относительно их проектных значений, то есть, автоматизации процесса геодезического мониторинга в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды.The technical results consist in increasing the accuracy of the method for determining the angles of inclination of a controlled object during geodetic monitoring by increasing the accuracy of measuring the relative displacements of a gas bubble freely floating on the meniscus surface in a liquid closed in the cavity of an axisymmetric capsule when its axis of symmetry deviates relative to a plumb line in bubble-type levels and the speed of access to the information provided for analyzing and assessing the state of a controlled object in real time under conditions of extremely low ambient temperatures relative to their design values, as well as increasing accuracy measurement of the device by increasing the accuracy of measuring the position of the gas bubble in bubble levels and expanding its functionality for receiving and processing the obtained measurement results by expanding the operating range of measurements in the range of ultra-small angles of inclination of the controlled object, as well as by increasing the amount of information and the speed of access to it, that is, by increasing the reliability of the received geodetic data for analyzing and assessing the state of the elements of the controlled object relative to their design values, that is, automating the process of geodetic monitoring in real time under conditions of extremely low ambient temperatures.
Поставленная техническая проблема решается тем, что в способе высокоточного определения углов наклона контролируемого объекта, при геодезическом мониторинге посредством технологии компьютерного зрения в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды, при котором с помощью устройства на основе уровня пузырькового типа, закрепленного на элементах конструкций контролируемого объекта, измеряют относительные смещения свободно плавающего по поверхности мениска газового пузырька в жидкости, замкнутого в полости осесимметричной капсулы при отклонении ее оси симметрии относительно отвесной линии, при этом центр шкалы находится на оси симметрии капсулы, определяют пространственные изменения положения светового пятна пузырька в полости капсулы относительно оси симметрии капсулы, полученные данные результатов измерений сравнивают между собой и регистрируют в виде направления и величины наклона контролируемого объекта, согласно техническому решению на контролируемом объекте предварительно создают деформационную геодезическую сеть, представляющую собой опорные пункты, включающие геодезические реперы для геодезического мониторинга контролируемого объекта, в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды. На каждом опорном пункте, включающем геодезический репер, оснащенный устройством на основе уровня пузырькового типа, выполняют измерения относительных смещений свободно плавающего по поверхности мениска газового пузырька в спиртовой жидкости в упомянутом уровне с помощью детектора, выполненного в виде цифровой видеокамеры. Данные результатов измерений пространственного положения светового пятна газового пузырька в полости капсулы получают в виде предварительного цифрового потокового видеоизображения текущего положения газового пузырька в спиртовой жидкости в упомянутом уровне относительно его начального положения, которое передают в модуль получения данных результатов измерений, выполненный в виде регистрирующей станции пользователя на базе персонального компьютера с общим и прикладным программным обеспечением (далее - ПК с общим и прикладным ПО) с возможностью сбора, хранения, обработки предварительного цифрового потокового видеоизображения посредством алгоритмов технологии компьютерного зрения путем цифрового автоматического сравнения координат углов вспомогательных прямоугольников в системе координат цифрового видеоснимка, описывающего текущее положение газового пузырька в упомянутых уровнях, с координатами углов этого прямоугольника, полученных на предыдущей эпохе наблюдения (предыдущем кадре цифрового видеоснимка) и автоматического преобразования посредством алгоритмов машинного обучения полученных цифровых значений относительных изменений координат вспомогательного прямоугольника, описывающего соответствующие положения газового пузырька в упомянутых уровнях в высокоточные значения, продольных по оси X и поперечных по оси Y, углов наклона контролируемого объекта, при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды.The technical problem posed is solved by the fact that in the method of high-precision determination of the angles of inclination of a controlled object, during geodetic monitoring using computer vision technology in real time under conditions of extremely low ambient temperatures, in which, using a device based on a bubble-type level fixed on structural elements of a controlled object, the relative displacements of a gas bubble freely floating on the meniscus surface in a liquid, closed in the cavity of an axisymmetric capsule when its axis of symmetry deviates relative to a plumb line, are measured, while the center of the scale is on the axis of symmetry of the capsule, spatial changes in the position of the light spot of the bubble in the cavity of the capsule relative to the axis of symmetry of the capsule are determined, the obtained data of the measurement results are compared with each other and recorded in the form of the direction and magnitude of the inclination of the controlled object, according to the technical solution, a deformation geodetic network is preliminarily created on the controlled object, which is strong points, including geodetic reference points for geodetic monitoring of the controlled object, in real time under conditions of extremely low ambient temperatures. At each reference point, including a geodetic benchmark equipped with a device based on a bubble-type level, measurements are made of the relative displacements of a gas bubble freely floating on the meniscus surface in an alcohol liquid in the mentioned level using a detector made in the form of a digital video camera. Данные результатов измерений пространственного положения светового пятна газового пузырька в полости капсулы получают в виде предварительного цифрового потокового видеоизображения текущего положения газового пузырька в спиртовой жидкости в упомянутом уровне относительно его начального положения, которое передают в модуль получения данных результатов измерений, выполненный в виде регистрирующей станции пользователя на базе персонального компьютера с общим и прикладным программным обеспечением (далее - ПК с общим и прикладным ПО) с возможностью сбора, хранения, обработки предварительного цифрового потокового видеоизображения посредством алгоритмов технологии компьютерного зрения путем цифрового автоматического сравнения координат углов вспомогательных прямоугольников в системе координат цифрового видеоснимка, описывающего текущее положение газового пузырька в упомянутых уровнях, с координатами углов этого прямоугольника, полученных на предыдущей эпохе наблюдения (предыдущем кадре цифрового видеоснимка) и автоматического преобразования посредством алгоритмов машинного обучения полученных цифровых значений относительных изменений координат вспомогательного прямоугольника, описывающего соответствующие положения газового пузырька в упомянутых уровнях в высокоточные значения, продольных по оси X и поперечных по оси Y , углов наклона контролируемого объекта, при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды.
Указанная совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет повысить эффективность и надежность способа за счет повышения точности измерения в реперной точке контролируемого объекта относительных смещений положения газового пузырька в пузырьковых уровнях предложенной конструкции путем обеспечения стабильности пространственного положения оптической оси объектива цифровой видеокамеры, относительно осей симметрии капсул в пузырьковых уровнях предложенной конструкции и цифровой фиксации положения газового пузырька с помощью цифровой видеокамеры, а также организации в режиме реального времени геодезического мониторинга посредством электрических, цифровых и программно-логических модулей и каналов связи, позволяющих получать достаточный объем данных, то есть, достоверные результаты измерений и за счет оперативности доступа к представляемой информации для анализа и оценки состояния контролируемого объекта путем автоматического получения и передачи в режиме реального времени полученных результатов измерений в виде предварительного цифрового потокового видеоизображения на регистрирующую станцию пользователя на базе ПК с общим и прикладным ПО, с возможностью сбора, хранения и обработки предварительного цифрового потокового видеоизображения посредством технологии компьютерного зрения, а также снижению зависимости от человеческого фактора, то есть, исключению субъективности при автоматическом получении результатов измерений и их сравнении посредством высокоточных алгоритмов программы компьютерного зрения для проведения автоматизированного мониторинга в режиме реального времени, что в конечном счете позволяет повысить точность (достоверность) получаемых данных, а значит - эффективность и надежность геодезического мониторинга при определении пространственного положения (крена) относительно горизонта контролируемого объекта.The specified set of essential features of the proposed technical solution improves efficiency and reliability way by increasing the accuracy of measuring relative displacements of the position of the gas bubble in the bubble levels of the proposed design at the reference point of the controlled object by ensuring the stability of the spatial position of the optical axis of the lens of the digital video camera, relative to the axes of symmetry of the capsules in the bubble levels of the proposed design and digitally fixing the position of the gas bubble using a digital video camera, as well as the organization of real-time geodetic monitoring by means of electrical, digital and software-logical modules and communication channels, allowing to obtain a sufficient amount of data, that is, reliable measurement results and due to the speed of access to the information provided for analysis and assessment of the state of the controlled object by automatically receiving and transmitting in real time the received measurement results in the form of a preliminary digital streaming video image to a user's recording station based on a PC with general and application software, with the ability to collect, store and process a preliminary digital streaming video image using computer vision technology, as well as reducing dependence on the human factor, that is, the exclusion of subjectivity when automatically obtaining measurement results and comparing them using high-precision algorithms of a computer vision program for conducting automated real-time monitoring, which ultimately improves the accuracy (reliability) of the data obtained, and hence the efficiency and reliability of geodetic monitoring when determining the spatial position (roll) relative to the horizon of the controlled object.
Поставленная техническая проблема решается также тем, что в устройстве для высокоточного определения углов наклона контролируемого объекта, при геодезическом мониторинге посредством технологии компьютерного зрения в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды, реализующее способ по п. 1 формулы, содержащее электрически связанные между собой измерительный модуль, включающий оптико-электронный измерительный блок на основе уровня пузырькового типа, с детектором и источником излучения, а также модуль получения данных результатов измерений углов наклона контролируемого объекта, согласно техническому решению указанный измерительный модуль дополнительно снабжен интерфейсным блоком приема-передачи цифровых данных и выполнен в едином корпусе с возможностью закрепления в заранее выбранных реперных точках на контролируемом объекте, создающих собой опорные пункты деформационной геодезической сети, включающей геодезические реперы для геодезического мониторинга контролируемого объекта, в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды. Указанный модуль получения данных результатов измерений выполнен в виде регистрирующей станции пользователя на базе ПК с общим и прикладным ПО, предназначенной для сбора, хранения, обработки предварительного цифрового потокового видеоизображения и определения высокоточных значений, продольных по оси X и поперечных по оси Y, углов наклона контролируемого объекта, посредством технологии компьютерного зрения. При этом упомянутый детектор оптико-электронного измерительного блока, выполненный в виде цифровой видеокамеры, закреплен в верхней части указанного корпуса над площадкой, на которой закреплены четыре пузырьковых уровня, каждый из которых содержит газовый пузырек в спиртовой жидкости, герметично замкнутый в полости капсулы цилиндрической формы. Причем упомянутые пузырьковые уровни размещены парами, в каждой паре размещены пузырьковые уровни с различным радиусом кривизны капсул, соответственно, с различной ценой деления шкалы капсул и, соответственно, с различным диапазоном измерения углов. При этом указанные пары пузырьковых уровней закреплены в упомянутом корпусе, в рабочей оптической зоне цифровой видеокамеры, ортогонально друг другу по оси X и по оси Y в горизонтальной плоскости. Указанный источник излучения оптико-электронного измерительного блока выполнен в виде, по меньшей мере, двух светодиодов, расположенных над площадкой с закрепленными пузырьковыми уровнями для обеспечения освещенности, в рабочей оптической зоне цифровой видеокамеры, необходимой для видеофиксации относительных смещений газового пузырька в спиртовой жидкости пузырьковых уровней и последующего формирования предварительного цифрового потокового видеоизображения положения газового пузырька в указанных уровнях. Причем цифровая видеокамера оптико-электронного измерительного блока связана посредством электрической, цифровой программно-логической связи с программным блоком интерфейсного блока приема-передачи цифровых данных, который выполнен для обработки и получения предварительного цифрового потокового видеоизображения, управления цифровой видеокамерой, светодиодами, блоком зарядки и питания, датчиком температуры, блоком памяти и блоком связи для передачи цифровых данных. При этом интерфейсный блок приема-передачи цифровых данных включает программный блок, цифровой вход-выход которого электрически и программно-логически связан с блоком зарядки и питания, который выполнен в виде последовательно соединенных между собой посредством электрической и программно-логической связи источника питания, балансира зарядки суперконденсаторов с датчиком тока и напряжения и накопителя заряда, выполненного в виде, по меньшей мере, двух суперконденсаторов, последовательно соединенных между собой, другие цифровые входы-выходы программного блока соединены с цифровыми входами-выходами датчика температуры и цифровыми входами-выходами, связанных между собой электрически и программно-логически, блока памяти и блока связи для передачи цифровых данных, предназначенных для постоянной передачи или передачи по запросу (появлению связи) накопленной информации в виде предварительного цифрового потокового видеоизображения посредством цифровой программно-логической связи в программе упомянутого программного блока на регистрирующую станцию пользователя на базе ПК с общим и прикладным ПО, предназначенную для сбора, хранения, обработки предварительного цифрового потокового видеоизображения посредством алгоритмов технологии компьютерного зрения путем цифрового автоматического сравнения координат углов вспомогательных прямоугольников в системе координат цифрового видеоснимка, описывающего текущее положение газового пузырька в указанных уровнях, с координатами углов этого прямоугольника, полученных на предыдущей эпохе наблюдения (предыдущем кадре цифрового видеоснимка) и автоматического преобразования полученных цифровых значений посредством алгоритмов машинного обучения относительных изменений координат вспомогательного прямоугольника, описывающего соответствующие положения газового пузырька в упомянутых уровнях в высокоточные значения, продольных по оси X и поперечных по оси Y, углов наклона контролируемого объекта, при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды.The technical problem posed is also solved by the fact that in a device for high-precision determination of the tilt angles of a controlled object, during geodetic monitoring using computer vision technology in real time under conditions of extremely low ambient temperatures, implementing the method according to claim 1 of the formula, containing an electrically interconnected measuring module, including an optical-electronic measuring unit based on a bubble type level, with a detector and a radiation source, as well as a module for obtaining data on the results of measurements of the angles of inclination of the controlled object, according to the technical solution indicated the measuring module is additionally equipped with an interface unit for receiving and transmitting digital data and is made in a single housing with the possibility of fixing at pre-selected reference points on the controlled object, which create strong points of the deformation geodetic network, including geodetic reference points for geodetic monitoring of the controlled object, in real time under conditions of extremely low ambient temperatures. Specified data retrieval module measurement results is made in the form of a PC-based user recording station with general and application software, designed to collect, store, process preliminary digital streaming video and determine high-precision values, longitudinal along the axisX and transverse along the axisY, angles of inclination of the controlled object, by means of computer vision technology. At the same time, the mentioned detector of the optoelectronic measuring unit, made in the form digital video camera, fixed in the upper part of the said housing above the platform, on which four bubble levels are fixed, each of which contains a gas bubble in an alcoholic liquid, hermetically closed in the cavity of a cylindrical capsule. Moreover, the mentioned bubble levels are placed in pairs, each pair contains bubble levels with different capsule curvature radii, respectively, with a different capsule scale division value and, accordingly, with a different angle measurement range. At the same time, these pairs of bubble levels are fixed in the said housing, in the working optical zone of the digital video camera, orthogonally to each other along the axisX and along the axisY in the horizontal plane. Said radiation source of the optical-electronic measuring unit is made in the form of at least two LEDs located above the platform with fixed bubble levels to provide illumination, in the working optical zone of a digital video camera, necessary for video recording of the relative displacements of the gas bubble in the alcoholic liquid of the bubble levels and subsequent formation of a preliminary digital streaming video image of the position of the gas bubble in the indicated levels. And the digital video camera optoelectronic measuring unit is connected by means of electrical, digital program-logical communication with the software unit of the interface unit for receiving and transmitting digital data, which is designed to process and receive a preliminary digital streaming video image, control a digital video camera, LEDs, a charging and power supply unit, a temperature sensor, a memory unit and a communication unit for digital data transmission. In this case, the interface block for receiving and transmitting digital data includes a program block, digital input-output of which is electrically and software-logically connected to a charging and power unit, which is made in the form of a power source connected in series by means of electrical and program-logical connection, a supercapacitor charging balancer with a current and voltage sensor, and a charge accumulator made in the form of at least two supercapacitors connected in series, other digital inputs-outputs of the program unit connected to the digital inputs-outputs of the temperature sensor and digital inputs-outputs, electrically and programmatically interconnected, of the memory unit and the communication unit for transmitting digital data, intended for continuous transmission or transmission on request (communication) of the accumulated information in the form of a preliminary digital streaming video image through digital program-logical communication in the program of the mentioned program block to the user's recording station based on a PC with general and application software, designed for collecting, storing, processing a preliminary digital streaming video image using computer vision technology algorithms by digitally automatically comparing the coordinates of the corners of the auxiliary rectangles in the coordinate system of the digital video image describing the current position of the gas bubble at the specified levels, with the coordinates of the corners of this rectangle obtained at the previous observation epoch (the previous frame of the digital video image) and automatically converting the obtained digital values through machine learning algorithms for relative changes in the coordinates of the auxiliary rectangle describing the corresponding positions of the gas bubble in the mentioned levels into high-precision values, longitudinal along the axisX and transverse along the axisY, angles of inclination of the controlled object, during geodetic monitoring in real time under conditions of extremely low ambient temperatures.
Указанная совокупность существенных признаков предлагаемого устройства позволяет повысить эффективность и надежность геодезического мониторинга при определении пространственного положения относительно горизонта контролируемого объекта в режиме реального времени при работе в полевых условиях, в условиях экстремально низких температур окружающей среды в результате повышения точности измерений при эксплуатации устройства за счет расширения рабочего диапазона измерений в диапазоне сверхмалых углов наклона контролируемого объекта путем повышения чувствительности оптико-измерительного блока с использованием пузырьковых уровней с разным диапазоном измерений, используемых в измерительном модуле выбранной конструкции и за счет повышения достоверности и оперативности доступа к представляемой информации для анализа и оценки состояния контролируемых элементов объектов путем использования устройства интерфейсно-модульного исполнения и организации автоматизированного процесса геодезического мониторинга посредством электрических, цифровых и программно-логических каналов связи, устранению зависимости от человеческого фактора при получении результатов измерений и их сравнении посредством алгоритмов высокоточной программы компьютерного зрения для проведения автоматизированного мониторинга, что в конечном счете позволяет повысить эффективность и надежность геодезического мониторинга при определении углов наклона контролируемого объекта в режиме реального времени в условиях температур от -40°С до +50°C.The specified set of essential features of the proposed device makes it possible to increase the efficiency and reliability of geodetic monitoring when determining the spatial position relative to the horizon of a controlled object in real time when working in the field, under conditions of extremely low ambient temperatures as a result of increasing the accuracy of measurements during operation of the device by expanding the operating range of measurements in the range of ultra-small tilt angles of a controlled object by increasing the sensitivity of the optical-measuring unit using bubble levels with different measurement ranges used in the measuring module of the selected design and by increasing the reliability and efficiency of access to the information presented for analysis and assessing the state of controlled elements of objects by using a device of interface-modular design and organizing an automated process of geodetic monitoring through electrical, digital and software-logical communication channels, eliminating dependence on the human factor when obtaining measurement results and comparing them using algorithms of a high-precision computer vision program for automated monitoring, which ultimately improves the efficiency and reliability of geodetic monitoring when determining the angles of inclination of a controlled object in real time at temperatures from -40°C to +50°C.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить эффективность и надежность геодезического мониторинга при определении пространственного положения относительно горизонта контролируемого объекта посредством технологии компьютерного зрения в режиме реального времени при работе в полевых условиях, в условиях экстремально низких температур окружающей среды за счет:Thus, the proposed technical solution makes it possible to increase the efficiency and reliability of geodetic monitoring when determining the spatial position relative to the horizon of a controlled object using real-time computer vision technology when working in the field, in conditions of extremely low ambient temperatures due to:
- расширения рабочего диапазона измерений измерительного модуля в диапазоне сверхмалых углов наклона контролируемого объекта путем использования оптико-электронного измерительного блока предложенной конструкции;- expansion of the working range of measurements of the measuring module in the range of ultra-small tilt angles controlled object by using the optoelectronic measuring unit of the proposed design;
- расширения рабочего диапазона температур эксплуатации измерительного модуля путем использования спиртовых пузырьковых уровней и блока зарядки и питания предложенной конструкции;- expanding the operating temperature range of operation of the measuring module by using spirit bubble levels and a charging and power supply unit of the proposed design;
- повышения достоверности и оперативности доступа к представляемой информации для анализа и оценки состояния элементов контролируемого объекта относительно их проектных значений путем использования технологии компьютерного зрения;- increasing the reliability and efficiency of access to the information provided to analyze and assess the state of the elements of the controlled object in relation to their design values by using computer vision technology;
- повышения энергонезависимости устройства при эксплуатации в полевых условиях в процессе геодезического мониторинга в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды от -40°С до +50°C путем использования блока зарядки и питания предложенной конструкции;- increasing energy independence devices during operation in the field in the process of geodetic monitoring in real time under conditions of extremely low ambient temperatures from -40°C to +50°C by using a charging and power supply unit of the proposed design;
- устранения зависимости от человеческого фактора, то есть исключения субъективности при автоматическом получении результатов измерений и их сравнении посредством алгоритмов высокоточной системы компьютерного зрения для проведения автоматизированного геодезического мониторинга в режиме реального времени;- elimination of dependence on the human factor, that is, the exclusion of subjectivity when automatically obtaining measurement results and comparing them using algorithms of a high-precision computer vision system for conducting automated geodetic monitoring in real time;
- повышения автономности работы устройства в режиме реального времени в условиях низких температур от -40°С до +50°C путем использования источника питания предложенной конструкции;- increasing the autonomy of the device in real time at low temperatures from -40°C to +50°C by using the power supply of the proposed design;
- снижения издержек на изготовление устройства путем использования унифицированных изделий для модулей и блоков в предлагаемом устройстве;- reducing the cost of manufacturing the device by using unified products for modules and blocks in the proposed device;
- снижения влияния на точность измерения углов наклона контролируемого объекта цилиндрическими пузырьковыми уровнями (из-за погрешностей в шлифовке внутренней поверхности капсул и изменения вязкости наполняющей жидкости при изменении температуры) за счет калибровки измерительных модулей с использованием алгоритмов машинного обучения высокоточной системы компьютерного зрения.- reducing the influence on the accuracy of measuring the inclination angles of the controlled object by cylindrical bubble levels (due to errors in grinding the inner surface of the capsules and changes in the viscosity of the filling liquid with temperature changes) due to the calibration of measuring modules using machine learning algorithms of a high-precision computer vision system.
При эксплуатации предлагаемого устройства в режиме реального времени в полевых условиях путем использования в оптико-электронном измерительном блоке предложенной конструкции двух пар пузырьковых уровней в рабочей оптической зоне цифровой видеокамеры, ортогонально друг другу в горизонтальной плоскости достигается расширение рабочего диапазона измерений, так как применение пузырьковых уровней с различной ценой деления, за счет различной кривизны капсул в каждой паре пузырьковых уровней, обеспечивают измерения начальных сверхмалых углов наклона относительно горизонта контролируемого в реперной точке объекта по осям X, Y в диапазоне ±D A (t) пузырьковыми уровнями с большим радиусом кривизны и ценой деления A. При дальнейшем увеличении углов наклона относительно горизонта контролируемого в реперной точке объекта по осям X, Y в диапазоне ±D B (t), измерения производятся пузырьковыми уровнями с меньшим радиусом кривизны и ценой деления B, что существенно расширяет рабочий диапазон измерений за счет повышения чувствительности оптико-электронного измерительного блока предложенной конструкции в диапазоне сверхмалых углов наклона. Кроме того, использование двух пар пузырьковых уровней в рабочей оптической зоне цифровой видеокамеры, ортогонально друг другу в горизонтальной плоскости также обеспечивает расширение диапазона высокоточных измерений углов наклона относительно горизонта контролируемого в реперной точке объекта при понижении температуры окружающего воздуха, так как плотность спиртового раствора в пузырьковых уровнях увеличивается, что проявляется в увеличении размера мениска (газового пузырька уровня). Относительное увеличение размера мениска может быть соизмеримо с рабочим диапазоном измерений. В этом случае программа определения углов наклона продолжает выполнять измерения с заданной точностью с учетом относительных изменений размера мениска при низких температурах, тем самым повышая надежность работы устройства, что имеет существенное значение в условиях экстремальных температур окружающей среды. При этом высокоточное определение углов наклона относительно горизонта контролируемых элементов в реперной точке объекта по перемещению мениска спиртовых уровней определяется с помощью алгоритмов системы компьютерного зрения, в которой перемещение газового пузырька уровня автоматически отслеживается цифровой камерой в режиме реального времени. Это конструктивное решение позволяет снизить зависимость от человеческого фактора, то есть исключить субъективность пользователя при автоматическом получении результатов измерений и их обработке посредством высокоточной программы компьютерного зрения, что также позволяет повысить точность и достоверность измерений, а значит, - эффективность и надежность при его эксплуатации. Также такое конструктивное решение существенно упрощает конструкцию устройства и удешевляет его производство, так как используют унифицированные и сертифицированные, доступные на массовом рынке модули: спиртовые уровни, цифровые камеры, модули связи и контроллеры типа Attiny фирмы Microchip. Также повышение автономности устройства в условиях низких температур достигается за счет использования в качестве накопителей заряда суперконденсаторов в блоке зарядки и питания, что позволяет отказаться от всепогодных защищенных корпусов, так как их диапазон рабочих температур от -40 до +60°C значительно превышает диапазон рабочих температур кислотных и литиево-ионных аккумуляторов от -10 до +50°C, которые используются в известных устройствах. Кроме того, суперконденсаторы свободны от эффекта снижения емкости со временем, что также повышает надежность и экономичность эксплуатации предлагаемого устройства. Блок зарядки и питания в измерительном модуле выполнен в виде энергосберегающего источника, то есть с помощью автономной энергосберегающей технологии, который позволяет эффективно и автономно эксплуатировать устройство предложенной конструкции в тяжелых полевых условиях, особенно, в районах Крайнего Севера, где в основном построены крупные технологические комплексы, требующие постоянного геодезического мониторинга, а также на контролируемых участках земной поверхности в районах вечной мерзлоты, тем самым повышая безопасность эксплуатации инженерных или природных объектов. В качестве средства связи с регистрирующей станцией пользователя на базе ПК с общим и прикладным ПО, например, удаленным сервером, целесообразно использовать модули LoRa, характеризующиеся низким электропотреблением и широким диапазоном рабочих температур (от -40 до +60°C). Снижение издержек на изготовление измерительного модуля позволяет потенциальным пользователям увеличивать их количество на контролируемых объектах и, тем самым, повысить информативность геодезического мониторинга. Достигается это за счет использования сочетания недорогих, сертифицированных и доступных на массовом рынке спиртовых уровней, цифровых камер, модулей связи и контроллеров типа Attiny фирмы Microchip. Снижение издержек также достигается за счет использования суперконденсаторов, которые позволяют экономить на дорогих теплоизолирующих корпусах. Кроме того, такой подход к выбору сертифицированных модулей позволяет эффективно проводить метрологическую аттестацию измерительного канала при проектировании и создании на контролируемых объектах автоматизированных систем геодезического мониторинга, что особенно важно с точки зрения безопасной эксплуатации объектов и, в конечном счете, позволяет повысить эффективность и надежность геодезического мониторинга при определении пространственного положения относительно горизонта контролируемых объектов. Кроме того, указанная совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет повысить оперативность доступа к представляемой информации для анализа и оценки состояния контролируемых элементов объекта с целью предиктивной диагностики целостности сооружений, а также оперативного обнаружения первичных признаков потери устойчивости (кренов) сооружений для выработки четких превентивных управляющих решений и предотвращения аварийных ситуаций на контролируемых объектах за счет применения в интерфейсном блоке приема-передачи цифровых данных, например, модуля SX1262 (LoRa) и современного протокола коммуникации автоматизированных устройств MQTT (Message Queuing Telemetry Transport, что позволяет выполнять высокоточное определение углов наклона контролируемого объекта в режиме реального времени в условиях редкой сети устройств мониторинга (с расстояниями между устройствами до 20 км), тем самым повышая безопасность эксплуатации объектов.When operating the proposed device in real time in the field by using in the optoelectronic measuring unit of the proposed design of two pairs of bubble levels in the working optical zone of a digital video camera, orthogonally to each other in the horizontal plane, an expansion of the working measurement range is achieved, because the application bubble levels with different scale intervals, due to the different curvature of the capsules in each pair of bubble levels, provide measurements of the initial ultra-small angles of inclination relative to the horizon of the object controlled at the reference point along the axesX,Y in the range ±D A (t) bubble levels with a large radius of curvature and division priceA. With a further increase in the angles of inclination relative to the horizon of the object controlled at the reference point along the axesX,Y in the range ±D B (t), measurements are made by bubble levels with a smaller radius of curvature and division priceB, which significantly expands the operating range of measurements by increasing the sensitivity of the optoelectronic measuring unit of the proposed design in the range of ultra-small tilt angles. Besides, the use of two pairs of bubble levels in the working optical zone of a digital video camera, orthogonally to each other in the horizontal plane, also provides an extension of the range high-precision measurements of the angles of inclination relative to the horizon of the object controlled at the reference point with a decrease in the ambient temperature, since the density of the alcohol solution in the bubble levels increases, which manifests itself in an increase in the size of the meniscus (gas bubble of the level). The relative increase in the size of the meniscus can be commensurate with the operating range of measurements. In this case, the inclination program continues to perform measurements with the specified accuracy, taking into account the relative changes in the size of the meniscus at low temperatures, thereby increasing the reliability of the device, which is essential in extreme ambient temperatures. At the same time, the high-precision determination of the tilt angles relative to the horizon of the controlled elements at the reference point of the object by the movement of the meniscus of the spirit levels is determined using the algorithms of the computer vision system, in which the movement of the level gas bubble is automatically monitored by a digital camera in real time. This constructive solution allows to reduce dependence on the human factor, i.e. eliminate the subjectivity of the user when automatically obtaining measurement results and processing them through a high-precision computer vision program, which also improves the accuracy and reliability of measurements, which means - efficiency and reliability in its operation. Also, such a constructive solution significantly simplifies the design of the device and reduces the cost of its production, since they use unified and certified modules available on the mass market: spirit levels, digital cameras, communication modules and Attiny-type controllers from Microchip. Also, increasing the autonomy of the device at low temperatures is achieved through the use of supercapacitors as charge accumulators in the charging and power unit, which makes it possible to abandon all-weather protected cases, since their operating temperature range from -40 to +60°C significantly exceeds the operating temperature range of acid and lithium-ion batteries from -10 to +50°C, which are used in known devices. In addition, supercapacitors are free from the effect of capacitance decrease over time, which also increases the reliability and efficiency of operation of the proposed device. The charging and power unit in the measuring module is made in the form of an energy-saving source, that is, using an autonomous energy-saving technology that allows you to efficiently and autonomously operate the device of the proposed design in difficult field conditions, especially in the Far North, where large technological complexes are mainly built that require constant geodetic monitoring, as well as on controlled areas of the earth's surface in permafrost areas, thereby increasing the safety of engineering or natural objects. As a means of communication with a PC-based user registration station with common and application software, for example, a remote server, it is advisable to use LoRa modules, which are characterized by low power consumption and a wide operating temperature range (from -40 to +60°C). Reducing the cost of manufacturing a measuring module allows potential users to increase their number at controlled objects and, thereby, increase the information content of geodetic monitoring. This is achieved through the use of a combination of inexpensive, certified, and commercially available spirit levels, digital cameras, communication modules, and Attiny-type controllers from Microchip. Cost savings are also achieved through the use of supercapacitors, which save on expensive heat-insulating cases. In addition, such an approach to the selection of certified modules makes it possible to effectively carry out metrological certification of the measuring channel when designing and creating automated geodetic monitoring systems at controlled objects, which is especially important from the point of view of the safe operation of objects and, ultimately, makes it possible to increase the efficiency and reliability of geodetic monitoring when determining the spatial position relative to the horizon of controlled objects. In addition, the specified set of essential features of the proposed technical solution makes it possible to increase the speed of access to the information provided for the analysis and assessment of the state of the monitored elements of the object for the purpose of predictive diagnostics of the integrity of structures, as well as the rapid detection of primary signs of buckling (rolls) of structures in order to develop clear preventive control decisions and prevent emergencies at controlled objects through the use of digital data in the interface unit for receiving and transmitting digital data, for example, the SX1262 (LoRa) module and the modern communication protocol for automated devices MQ TT (Message Queuing Telemetry Transport, which allows you to perform high-precision determination of the tilt angles of a controlled object in real time in a rare network of monitoring devices (with distances between devices up to 20 km), thereby increasing the safety of object operation.
Сущность предлагаемых технических решений поясняется примером реализации способа высокоточного определения углов наклона контролируемого объекта, инженерного или природного, при геодезическом мониторинге посредством технологии компьютерного зрения в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды (далее - способ), конкретным конструктивным исполнением устройства для высокоточного определения углов наклона контролируемого объекта, инженерного или природного, при геодезическом мониторинге посредством технологии компьютерного зрения в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды (далее - устройство) и чертежами Фиг. 1-4. На Фиг. 1 схематично представлен процесс реализации предлагаемого способа на контролируемом участке: на стенках секций в патерне бетонной плотины ГЭС или на поверхности горной выработки и устройство для его осуществления, например, в составе системы геодезического мониторинга углов наклона (крена) контролируемого объекта. На Фиг. 2 представлена блок-схема предлагаемого устройства. На Фиг. 3-4 представлена схема оптико-электронного измерительного блока предлагаемого устройства.The essence of the proposed technical solutions is illustrated by an example of the implementation of a method for high-precision determination of the angles of inclination of a controlled object, engineering or natural, during geodetic monitoring using computer vision technology in real time under conditions of extremely low ambient temperatures (hereinafter referred to as the method), a specific design of the device for highly accurate determination of the angles of inclination of a controlled object, engineering or natural, during geodetic monitoring using computer vision technology in real time under conditions of extremely low ambient temperatures (hereinafter referred to as the device) and drawings Fig. 1-4. On FIG. 1 schematically shows the process of implementing the proposed method in a controlled area: on the walls of sections in the pattern of a concrete dam of a hydroelectric power station or on the surface of a mine working and a device for its implementation, for example, as part of a geodetic monitoring system angles of inclination (roll) of the controlled object. On FIG. 2 shows a block diagram of the proposed device. On FIG. 3-4 shows a diagram of the optical-electronic measuring unit of the proposed device.
Предлагаемый способ реализуют с помощью устройства того же назначения следующим образом. Предварительно (см. Фиг. 1), до начала геодезических измерений на территории, где находится контролируемый объект, выбранный для проведения геодезического мониторинга, создают или используют уже готовый эталонный геодезический полигон, который представляет собой набор опорных пунктов объединенной планово-высотной геодезической сети, включающей геодезические реперы (далее - региональная сеть ПВС). Согласно техническому заданию на выполнение геодезического мониторинга определяют количество и расположение устройств, величину допустимой ошибки измерения углов наклона контролируемого объекта, периодичность выполнения измерений, диапазоны рабочих температур. Для определения углов наклона (крена) контролируемого объекта создают или используют только деформационную геодезическую сеть из состава региональной сети ПВС, представляющую собой опорные пункты, включающие геодезические реперы для геодезического мониторинга контролируемого объекта. На каждом опорном пункте, включающем геодезический репер, оснащенный предлагаемым устройством, выполняют измерения относительных смещений, свободно плавающего по поверхности мениска, газового пузырька в спиртовой жидкости в пузырьковом уровне, замкнутого в полости осесимметричной капсулы при отклонении ее оси симметрии относительно отвесной линии, при этом центр шкалы находится на оси симметрии капсулы. Далее определяют пространственные изменения положения светового пятна пузырька в полости капсулы относительно оси симметрии капсулы. Полученные данные результатов измерений сравнивают между собой и регистрируют в виде направления и величины наклона контролируемого объекта. Для этого (см. Фиг. 2) используют устройство, которое содержит электрически связанные между собой измерительный модуль 1, включающий оптико-электронный измерительный блок 2 на основе уровня пузырькового типа (далее - оптико-электронный измерительный блок 2), с детектором в виде цифровой видеокамеры 3 и источником излучения 4 в виде, по меньшей мере, двух светодиодов 4, а также модуль 5 получения данных результатов измерений углов наклона контролируемого объекта (далее - модуль 5 получения данных результатов измерений). Измерительный модуль 1 дополнительно снабжен интерфейсным блоком 6 приема-передачи цифровых данных и выполнен в едином корпусе с возможностью закрепления в заранее выбранных реперных точках, на контролируемых элементах инженерного или природного объекта, создающих собой опорные пункты деформационной геодезической сети, включающей геодезические реперы для геодезического мониторинга контролируемого объекта в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды. Модуль 5 получения данных результатов измерений (см. Фиг.2) выполнен в виде регистрирующей станции 5 пользователя на базе ПК с общим и прикладным ПО, предназначенной для сбора, хранения, обработки предварительного цифрового потокового видеоизображения и определения высокоточных значений, продольных по оси X и поперечных по оси Y, углов наклона контролируемого объекта посредством технологии компьютерного зрения. Детектор 3 оптико-электронного измерительного блока 2, выполненный в виде цифровой видеокамеры 3, закреплен в верхней части указанного корпуса (см. Фиг. 2, поз. не обозначен) над площадкой, на которой закреплены четыре пузырьковых уровня 7, 8, 9, 10, каждый из которых содержит газовый пузырек в спиртовой жидкости, герметично замкнутый в полости капсулы цилиндрической формы (см. Фиг. 2, 3, 4). Причем упомянутые пузырьковые уровни 7-10 размещены парами, в каждой паре размещены пузырьковые уровни 7-10 с различным радиусом кривизны и длины капсул, соответственно, с различной ценой деления шкалы капсул и, соответственно, с различным диапазоном измерения углов. При этом указанные пары пузырьковых уровней 7-10 закреплены в упомянутом корпусе, в рабочей оптической зоне цифровой видеокамеры 3, ортогонально друг другу в горизонтальной плоскости (см. Фиг. 2, 3, 4). Пузырьковый уровень 7 по оси X с ценой деления шкалы A в диапазоне ±D A (t) (далее - пузырьковый уровень 7), пузырьковый уровень 8 по оси X с ценой деления шкалы B в диапазоне ±D B (t) (далее - пузырьковый уровень 8), пузырьковый уровень 9 по оси Y с ценой деления шкалы A в диапазоне ±D A (t) (далее - пузырьковый уровень 9), пузырьковый уровень 10 по оси Y с ценой деления шкалы B в диапазоне ±D B (t) (далее - пузырьковый уровень 10), где:The proposed method is implemented using a device of the same purpose as follows. Previously (see Fig. 1), prior to the start of geodetic measurements in the territory where the controlled object is located, selected for geodetic monitoring, a ready-made reference geodetic polygon is created or used, which is a set of reference points of the united planned-altitude geodetic network, including geodetic benchmarks (hereinafter referred to as the regional PVS network). According to the terms of reference for the implementation of geodetic monitoring, the number and location of devices, the value of the permissible error in measuring the angles of inclination of the controlled object, the frequency of measurements, and the operating temperature ranges are determined. To determine the angles of inclination (roll) of the controlled object, only a deformation geodetic network is created or used from the composition of the regional PVS network, which is a reference point, including geodetic reference points for geodetic monitoring of the controlled object. At each reference point, including a geodesic benchmark equipped with the proposed device, measurements are made of the relative displacements of a free-floating meniscus on the surface of a gas bubble in an alcohol liquid in a bubble level, closed in the cavity of an axisymmetric capsule when its axis of symmetry deviates relative to a plumb line, while the center of the scale is located on the axis of symmetry of the capsule. Next, spatial changes in the position of the light spot of the bubble in the capsule cavity relative to the symmetry axis of the capsule are determined. The obtained data of the measurement results are compared with each other and recorded in the form of the direction and magnitude of the inclination of the controlled object. To do this (see Fig. 2) use a device that contains electrically interconnected measuring module 1, including optoelectronic measuring unit 2 based on a bubble type level (hereinafter referred to as optoelectronic measuring unit 2), with a detector in the form a digital video camera 3 and a radiation source 4 in the form of at least two LEDs 4, as well as a module 5 for obtaining data on the results of measurements of the angles of inclination of the controlled object (hereinafter - module 5 for obtaining measurement data). The measuring module 1 is additionally equipped with an interface unit 6 for receiving and transmitting digital data and is made in a single housing with the possibility of fixing at pre-selected reference points, on controlled elements of an engineering or natural object, which create strong points of a deformation geodetic network, including geodetic reference points for geodetic monitoring of a controlled object in real time under conditions of extremely low ambient temperatures. Data Acquisition Module 5 measurement results (see Fig.2) is made in the form of a PC-based user recording station 5 with general and application software designed to collect, store, process preliminary digital streaming video and determine high-precision values, longitudinal along the axisX and transverse along the axisY, angles of inclination of the controlled object by means of computer vision technology. The detector 3 of the optical-electronic measuring unit 2, made in the form digital video camera 3, fixed in the upper part of the said housing (see Fig. 2, pos. not indicated) above the platform, on which four bubble levels 7, 8, 9, 10 are fixed, each of which contains a gas bubble in an alcohol liquid, hermetically closed in the cavity of a cylindrical capsule (see Fig. 2, 3, 4). Moreover, the said bubble levels 7-10 are placed in pairs, each pair contains bubble levels 7-10 with different curvature radii and capsule lengths, respectively, with a different scale division of the capsules and, accordingly, with a different angle measurement range. At the same time, these pairs of bubble levels 7-10 are fixed in the said housing, in the working optical zone of the digital video camera 3, orthogonally to each other in the horizontal plane (see Fig. 2, 3, 4). Bubble level 7 on axisX with scale intervalA in the range ±D A (t) (hereinafter - bubble level 7),bubble level 8 on axisX with scale intervalBin the range±D B (t)(hereinafter - bubble level 8),bubble level 9 on axisY with scale intervalA in the range ±D A (t)(hereinafter referred to as bubble level 9), bubble level 10 along the Y axis with scale divisionB in the range±D B (t) (hereinafter - bubble level 10),Where:
A - цена деления шкалы для пузырькового уровня 7,9, угловая секунда/ мм; A - scale division value for bubble level 7.9, arc second / mm;
D A (t) - функция изменения диапазона измерения углов наклона пузырьковых уровней 7,9 в угловых секундах /мм; D A (t) - function of changing the range of measurement of the inclination angles of bubble levels 7.9 in arc seconds /mm;
D A (t) определяют по предложенной формуле: D A (t) is determined by the proposed formula:
где:Where:
R A - радиус кривизны пузырьковых уровней 7, 9, мм; R A - radius of curvature of bubble levels 7, 9, mm;
l A - длина ампулы пузырьковых уровней 7, 9, мм; l A - length of the ampoule of bubble levels 7, 9, mm;
l A 0 - длина газового пузырька в капсуле пузырьковых уровней 7,9 с ценой деления шкалы А, при температуре окружающего воздуха +20°С, мм; l A 0 - the length of the gas bubble in the capsule of bubble levels 7.9 with the value of division of the scale A, at an ambient temperature of +20°C, mm;
t - температура окружающего воздуха, °С; t - ambient air temperature, °С;
k A - коэффициент теплового расширения пузырьков уровней 7,9,мм/°С; k A - coefficient of thermal expansion of bubbles levels 7.9 mm/°C;
ρ - количество угловых секунд в 1 радиане. ρ is the number of arc seconds in 1 radian.
Таким образом, исходя из предложенной формулы (1) существует предел измерения углов наклона пузырьковыми уровнями 7,9 при низких температурах.Thus, based on the proposed formula (1), there is a limit for measuring the tilt angles by bubble levels of 7.9 at low temperatures.
B - цена деления шкалы для пузырьковых уровней 8,10, угловая секунда/мм; B - scale division value for bubble levels 8.10, arc second/mm;
D B (t) - функция изменения диапазона измерения углов наклона, где индекс B обозначает принадлежность параметров пузырьковым уровням 8,10, соответственно; D B (t) is a function of changing the range of measurement of the angles of inclination, where the index B indicates that the parameters belong to bubble levels 8.10, respectively;
D B (t) определяют по предложенной формуле: D B (t) is determined by the proposed formula:
Для выбора пузырьковых уровней 8,10, обеспечивающих расширение диапазона измерений углов наклона при низких температурах, необходимо использовать предложенную формулу:To select bubble levels 8,10, which provide an extension of the range of measurement of tilt angles at low temperatures, it is necessary to use the proposed formula:
где:Where:
D A (t пред) - диапазон измерений пузырьковыми уровнями 7,9 при температуре t пред; D A (t before) - measurement range with bubble levels 7.9 at a temperaturet before;
t пред - предельно допустимая температура, при которой определяется газовый пузырек пузырьковых уровней 7,9 программой компьютерного зрения. t pre - maximum allowable temperature at which the gas bubble of bubble levels 7.9 is determined by the computer vision program.
По предложенной формуле (3) рассчитывают необходимую длину газового пузырька l B 0 пузырьковых уровней 8,10 при температуре окружающего воздуха +20°С и подбирают ампулу необходимой длины и радиуса кривизны.According to the proposed formula (3) calculate the required length of the gas bubble l B 0 bubble levels 8.10 at an ambient temperature of +20°C and pick up the ampoule of the required length and radius of curvature.
Указанный источник излучения 4 оптико-электронного измерительного блока 2 выполнен в виде, по меньшей мере, двух светодиодов 4, расположенных над площадкой с закрепленными пузырьковыми уровнями 7-10, для обеспечения освещенности в рабочей оптической зоне цифровой видеокамеры 3, необходимой для видеофиксации относительных смещений газового пузырька в спиртовой жидкости пузырьковых уровней 7-10 и последующего формирования предварительного цифрового потокового видеоизображения положения газового пузырька в указанных уровнях 7-10 (см. Фиг. 2, 3, 4). Причем цифровая видеокамера 3 оптико-электронного измерительного блока 2 связана посредством электрической, цифровой программно-логической связи с программным блоком 11 интерфейсного блока 6 приема-передачи цифровых данных. Программный блок 11 выполнен для обработки и получения предварительного цифрового потокового видеоизображения, управления цифровой видеокамерой 3, светодиодами 4, блоком 12 зарядки и питания, датчиком 13 температуры, блоком 14 памяти и блоком 15 связи для передачи цифровых данных (см. Фиг. 2, 3, 4). При этом интерфейсный блок 6 приема-передачи цифровых данных включает программный блок 11, цифровой вход-выход которого электрически и программно-логически связан с блоком 12 зарядки и питания, который выполнен в виде последовательно соединенных между собой посредством электрической и программно-логической связи источника 16 питания, балансира 17 зарядки суперконденсаторов с датчиком 18 тока и напряжения и накопителя 19 заряда, выполненного в виде, по меньшей мере, двух суперконденсаторов, последовательно соединенных между собой. Другие цифровые входы-выходы программного блока 11 соединены с цифровыми входами-выходами датчика 13 температуры и цифровыми входами-выходами, связанных между собой электрически и программно-логически, блока 14 памяти и блока 15 связи для передачи цифровых данных (далее - блок 15 связи), предназначенных для постоянной передачи или передачи по запросу (появлению связи) накопленной информации в виде предварительного цифрового потокового видеоизображения посредством цифровой программно-логической связи в программе упомянутого программного блока 11 на регистрирующую станцию 5 пользователя на базе ПК с общим и прикладным ПО, предназначенную для сбора, хранения, обработки предварительного цифрового потокового видеоизображения посредством алгоритмов программы компьютерного зрения путем цифрового автоматического сравнения координат углов вспомогательных прямоугольников в системе координат цифрового видеоснимка, описывающего текущее положение газового пузырька в указанных уровнях 7-10, с координатами углов этого прямоугольника, полученных на предыдущей эпохе наблюдения (предыдущем кадре цифрового видеоснимка) и автоматического преобразования посредством алгоритмов машинного обучения полученных цифровых значений относительных изменений координат вспомогательного прямоугольника, описывающего соответствующие положения газового пузырька в указанных уровнях 7-10 в высокоточные значения, продольных по оси X и поперечных по оси Y, углов наклона контролируемого объекта, при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды (см. Фиг. 2).Said radiation source 4 of the optical-electronic measuring unit 2 is made in the form of at least two LEDs 4 located above the platform with fixed bubble levels 7-10 to provide illumination in the working optical zone of the digital video camera 3, necessary for video recording of the relative displacements of the gas bubble in the alcohol liquid of bubble levels 7-10 and the subsequent formation of a preliminary digital streaming video image of the position of the gas bubble in the indicated levels 7-10 (see Fig. 2). , 3, 4). Moreover, the digital video camera 3 of the optical-electronic measuring unit 2 is connected by means of an electrical, digital program-logical connection with the software unit 11 of the interface unit 6 for receiving and transmitting digital data. The software unit 11 is designed to process and obtain a preliminary digital streaming video image, control a digital video camera 3, LEDs 4, a charging and power unit 12, a temperature sensor 13, a memory unit 14 and a communication unit 15 for transmitting digital data (see Fig. 2, 3, 4). In this case, the interface unit 6 for receiving and transmitting digital data includes a program unit 11, digital input-output of which is electrically and software-logically connected to charging and power unit 12, which is made in the form of a power source 16 connected in series by means of electrical and program-logical connection, a supercapacitor charging balancer 17 with a current and voltage sensor 18, and a charge accumulator 19 made in the form of at least two supercapacitors connected in series. Other digital inputs/outputs of program block 11 connected to the digital inputs-outputs of the temperature sensor 13 and digital inputs-outputs, electrically and programmatically interconnected, of the memory unit 14 and the communication unit 15 for transmitting digital data (hereinafter referred to as the communication unit 15), intended for continuous transmission or transmission on request (the appearance of communication) of the accumulated information in the form of a preliminary digital streaming video image through digital program-logical communication in the program of the mentioned program block 11 to the user's recording station 5 based on a PC with general and application software, designed for collecting, storing, processing a preliminary digital streaming video image using computer vision program algorithms by digitally automatically comparing the coordinates of the corners of the auxiliary rectangles in the coordinate system of a digital video image that describes the current position of the gas bubble at the specified levels 7-10, with the coordinates of the corners of this rectangle obtained at the previous observation epoch (the previous frame of the digital video image) and automatically converting the obtained digital values of relative changes in the coordinates of the auxiliary rectangle using machine learning algorithms , which describes the corresponding positions of the gas bubble in the indicated levels 7-10 into high-precision values, longitudinal along the axisX and transverse along the axisY, angles of inclination of the controlled object, during geodetic monitoring in real time under conditions of extremely low ambient temperatures (see Fig. 2).
Оптико-электронный измерительный блок 2 выполнен на основе современных технических устройств, например, с использованием в качестве детектора 3, модуля цифровой видеокамеры OV4689, а в качестве источника излучения 4, светодиодов промышленного образца GNL3014. Кроме того, применение простых в изготовлении, но надежных и недорогих пузырьковых уровней 7-10, позволяют значительно упростить конструкцию устройства. Модуль 5 получения данных результатов измерений выполнен в виде регистрирующей станции 5 пользователя на базе ПК (или удаленного сервера на базе микроконтроллера типа Ruspberry pi) с общим и прикладным ПО для сбора, хранения и обработки предварительного цифрового потокового видеоизображения посредством алгоритмов программы компьютерного зрения, основанных, например, на библиотеке программ OpenCV и автоматического преобразования посредством алгоритмов машинного обучения полученных цифровых значений относительных изменений координат вспомогательного прямоугольника, описывающего соответствующие положения газового пузырька в упомянутых уровнях 7-10 в высокоточные значения, продольных по оси X и поперечных по оси Y, углов наклона контролируемого объекта. Программный блок 11 выполнен, например, в виде микроконтроллера на основе чипа attiny 85 с возможностью управления цифровой видеокамерой 3 и светодиодами 4, датчиком 13 температуры, блоком 14 памяти, блоком 15 связи и датчиком 18 тока и напряжения. Блок 12 зарядки и питания выполнен в виде последовательно соединенных между собой посредством электрической и программно-логической связи источника 16 питания, балансира 17 зарядки суперконденсаторов с датчиком 18 тока и напряжения и накопителя 19 заряда, выполненного в виде, по меньшей мере, двух суперконденсаторов, последовательно соединенных между собой. Упомянутый источник 16 питания выполнен в виде источника возобновляемой энергии, например, в виде монокристаллической солнечной батареи малой мощности, от 30 Вт. При этом работа устройства гарантируется в зимний период в средних широтах при постоянной установке солнечной панели под углом 90°. Такая установка солнечной панели снижает вероятность потери источника 16 питания из-за обледенения и образования снежного покрова. Датчик 13 температуры выполнен, например, на основе чипа DS18B20Z+. Блок 14 памяти выполнен, например, в виде модуля ESP32 microSD shield с возможностью записи данных измерений в виде предварительного цифрового потокового видеоизображения. Блок 15 связи выполнен, например, в виде УКВ/Wifi-маршрутизатора на основе модуля Wemos D32 mini ESP32 с возможностью предварительной обработки видеоизображения и получения предварительного цифрового потокового видеоизображения, чтения и записи данных на карту памяти типа MicroSD, передачу данных по протоколу беспроводной связи Wifi. Передача данных через УКВ-радиосвязь осуществляется с помощью, например, модуля SX1278 по протоколу LoRa. Датчик 18 тока и напряжения представляет собой, например, модуль CJMCU-219.The optical-electronic measuring unit 2 is made on the basis of modern technical devices, for example, using an OV4689 digital video camera module as a detector 3, and GNL3014 industrial LEDs as a radiation source 4. In addition, the use of easy-to-make, but reliable and inexpensive bubble levels 7-10, can significantly simplify the design of the device. Data Acquisition Module 5 The measurement results were made in the form of a registration station 5 of a user based on a PC (or a remote server based on a microcontroller of the Ruspberry Pi type) with a common and applied software for the collection, storage and processing of preliminary digital streaming through the algorithms of a computer vision program based, for example, at the library of the OpenCV program and automatic transformation by means the digital values of the relative changes in the coordinates of the auxiliary rectangle describing the corresponding provisions of the gas bubble in the mentioned levels 7-10 in high-precision values, longitudinal along the axisX and transverse along the axisY, angles of inclination of the controlled object. The software unit 11 is made, for example, in the form of a microcontroller based on an attiny 85 chip with the ability to control a digital video camera 3 and LEDs 4, a temperature sensor 13, a memory unit 14, a communication unit 15, and a current and voltage sensor 18. The charging and power unit 12 is made in the form of a power source 16, a balancer 17 for charging supercapacitors with a current and voltage sensor 18, and a charge accumulator 19, made in the form of at least two supercapacitors connected in series. Said power source 16 is made in the form of a renewable energy source, for example, in the form of a low-power single-crystal solar battery, from 30 watts. At the same time, the operation of the device is guaranteed in the winter period in mid-latitudes with a permanent installation of the solar panel at an angle of 90 °. This installation of the solar panel reduces the possibility of loss of power supply 16 due to ice and snow cover. The temperature sensor 13 is made, for example, based on the DS18B20Z+ chip. The memory unit 14 is made, for example, in the form of an ESP32 microSD shield module with the ability to record measurement data in the form of a preliminary digital streaming video image. The communication unit 15 is made, for example, in the form of a VHF / Wifi router based on the Wemos D32 mini ESP32 module with the ability to pre-process the video image and obtain a preliminary digital streaming video image, read and write data to a MicroSD memory card, and transmit data via the Wifi wireless communication protocol. Data transmission via VHF radio is carried out using, for example, the SX1278 module using the LoRa protocol. The current and voltage sensor 18 is, for example, a CJMCU-219 module.
Предлагаемое устройство, реализующее способ, на примере системы геодезического мониторинга углов наклона (крена) контролируемого объекта посредством технологии компьютерного зрения в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды (далее - система), работает следующим образом (см. Фиг. 1, 2). До начала геодезических измерений на территории, где находится контролируемый объект, выбранный для проведения геодезического мониторинга, в каждой реперной точке на контролируемых элементах объекта, представляющих собой набор опорных пунктов деформационной геодезической сети, устанавливают измерительный модуль 1. Предварительно, согласно техническому заданию на выполнение геодезического мониторинга, определяют количество и расположение измерительных модулей 1, величину допустимой ошибки измерения углов наклона, периодичность выполнения измерений, диапазоны рабочих температур. Для определения углов наклона (крена) контролируемого объекта создают или используют только деформационную геодезическую сеть, представляющую собой опорные пункты, включающие геодезические реперы для геодезического мониторинга контролируемого объекта. Для обеспечения предельно допустимой ошибки в рамках заданного диапазона работы измерительного модуля 1 выбирают пузырьковые уровни 7,8,9,10 в виде цилиндрических спиртовых уровней с необходимыми длинами капсул и цифровую видеокамеру 3, обеспечивающую необходимое разрешение видеоснимков. Для обеспечения необходимой периодичности выполнения измерения углов наклона контролируемого объекта, с учетом энергопотребления выбранной цифровой видеокамеры 3, блока 15 связи, определяют общее количество накопителей 19 заряда (ионисторов). Количество накопителей 19 заряда должно быть достаточным для обеспечения суточного сеанса измерений с заданной периодичностью. Для обеспечения ежедневной полной зарядки накопителей 19 заряда выбирают достаточное количество солнечных батарей или ветрогенераторов в соответствии с характерными погодными условиями на территории полигона геодезического мониторинга. Каждый оптико-электронный измерительный блок 2 измерительного модуля 1 калибруют. Калибровку выполняют с использованием алгоритмов машинного обучения технологии компьютерного зрения. Для этого применяют нейросеть обратного распространения. Для каждого измерительного модуля 1 определяют собственную нейросеть, выполняющую функцию авторегрессионной модели и фильтра аномальных выбросов. Каждая нейросеть сохраняется в базе данных сети геодезического мониторинга на регистрирующей станции 5 пользователя на базе ПК с общим и прикладным ПО и закрепляется за соответствующим измерительным модулем 1. Далее выполняют установку скомплектованных и калиброванных измерительных модулей 1 в заранее выбранных реперных точках на контролируемом объекте, представляющих собой набор опорных пунктов деформационной геодезической сети. Выполняется конфигурация системы геодезического мониторинга на контролируемом объекте. В процессе конфигурации выполняется следующее:The proposed device that implements the method, using the example of a geodetic monitoring system angles of inclination (roll) of the controlled object using real-time computer vision technology under conditions of extremely low ambient temperatures (hereinafter referred to as the system), works as follows (see Fig. 1, 2). Prior to the start of geodetic measurements on the territory where the controlled object is located, selected for geodetic monitoring, at each reference point on the controlled elements of the object, which are a set of reference points of the deformation geodetic network, a measuring module 1 is installed. Preliminarily, according to the terms of reference for performing geodetic monitoring, the number and location of measuring modules 1, the value of the allowable error in measuring the angles of inclination, the frequency of measurements, and the operating temperature ranges are determined. To determine the angles of inclination (roll) of the controlled object, only a deformation geodetic network is created or used, which is a reference point, including geodetic benchmarks for geodetic monitoring of the controlled object. To ensure the maximum allowable error within the specified range of operation of the measuring module 1, bubble levels 7,8,9,10 are selected in the form of cylindrical spirit levels with the required capsule lengths and a digital video camera 3 that provides the required resolution of video images. To ensure the necessary periodicity of the measurement of the angles of inclination of the controlled object, taking into account the power consumption of the selected digital video camera 3, communication unit 15, the total number of charge accumulators 19 (ionistors) is determined. The number of charge accumulators 19 should be sufficient to provide a daily measurement session with a given frequency. To ensure a daily full charge of the 19 charge drives, a sufficient number of solar panels or wind generators is selected in accordance with the characteristic weather conditions in the territory of the geodetic monitoring site. Each optoelectronic measuring unit 2 of the measuring module 1 is calibrated. Calibration is performed using machine learning algorithms of computer vision technology. For this, a backpropagation neural network is used. For each measuring module 1 define its own neural network that performs the function of an autoregressive model and a filter of anomalous emissions. Each neural network is stored in the database of the geodetic monitoring network at the user's recording station 5 based on a PC with general and application software and is assigned to the corresponding measuring module 1. Next, the complete and calibrated measuring modules 1 are installed at pre-selected reference points on the controlled object, which are a set of reference points of the deformation geodetic network. The geodetic monitoring system is being configured at the controlled object. The configuration process does the following:
- установка прикладного программного обеспечения технологии компьютерного зрения на регистрирующую станцию 5 пользователя на базе ПК с общим и прикладным ПО;- installation of application software technology of computer vision on the recording station 5 user based on a PC with common and application software;
- настройка сетевых соединений каждого измерительного модуля 1 с регистрирующей станцией 5 на базе ПК с общим и прикладным ПО.- setting up network connections for each measuring module 1 with a recording station 5 based on a PC with general and application software.
После конфигурации системы начинается процесс непрерывного геодезического мониторинга контролируемого объекта. Процесс мониторинга состоит из обработки серии сеансов измерений, формирующиеся в последовательность циклов геодезического мониторинга контролируемого объекта. При включении кнопки питания блока 12 зарядки и питания измерительного модуля 1 инициализируются интерфейсный блок 6 приема-передачи цифровых данных и соответственно цифровая видеокамера 3, светодиоды 4 оптико-электронного измерительного блока 2. При помощи цифровой видеокамеры 3 автоматически производится видеозапись площадки с расположенными на ней пузырьковыми уровнями 7-10 с задаваемой пользователем периодичностью. Сеанс наблюдения на измерительном модуле 1 для определения углов наклона контролируемого объекта выполняется следующим образом. Программный блок 11 инициализирует измерительный модуль 1 и блок связи 15 путем выхода из режима низкого энергопотребления и опрашивает датчик 18 тока и напряжения балансира 17 зарядки суперконденсаторов из блока 12 зарядки и питания. Если заряда на накопителях 19 заряда достаточно для выполнения сеанса измерений и передачи цифровых данных, запускаются источник излучения в виде, по меньшей мере, двух светодиодов 4 и детектор в виде цифровой видеокамеры 3. В противном случае программный блок 11 вновь уходит в режим пониженного энергопотребления на 10 секунд и повторяет процесс инициализации измерительного модуля 1. При помощи цифровой видеокамеры 3 в течение времени, определенного продолжительностью сеанса, ведется видеозапись площадки с расположенными на ней пузырьковыми уровнями 7-10. В течение рабочего сеанса измерений компьютерной программой автоматически в блоке 15 с помощью модуля Wemos D32 выполняется преобразование видеозаписи в раздельные кадры видеопотока в виде фотоизображений положения газового пузырька в пузырьковых уровнях 7-10. Для этого видеозапись разделяется на четыре кадра, соответствующие расположению пузырьковых уровней 7-10. Затем каждое видеоизображение сегментируется для получения 2-канальных фотоизображений в целях экономии энергии на передачу данных. Сегментированные фотоизображения записываются в блок памяти 14. Параллельно ведется запись показателей с датчика 13 температуры. По завершению сеанса измерений, программный модуль 11 выключает оптико-электронный измерительный блок 2 и инициализирует процесс передачи цифровых данных предварительного цифрового потокового видеоизображения с виде сегментированного фотоизображения, которое в форме сообщения из блока 14 памяти интерфейсного модуля 6 приема-передачи цифровых данных последовательно передаются в блок 15 связи, для их отправки посредством блока 15 связи, например, через УКВ (Lora SX1262) или Wifi (ESP32) модули, на регистрирующую станцию 5 пользователя на базе ПК с общим и прикладным ПО, предназначенную для сбора, хранения, обработки предварительного цифрового потокового видеоизображения и для последующей обработки цифровых данных. По завершению процесса передачи цифровых данных, программный модуль 11 выключает блок 15 связи и уходит в режим пониженного потребления на время, определяемое периодом выполнения измерений. Затем цикл инициализации измерительного модуля 1 повторяется вновь. На регистрирующей станции 5 пользователя при помощи компьютерной программы автоматически посредством алгоритмов технологии компьютерного зрения выполняется определение угла наклона контролируемого объекта за сеанс наблюдений. Вычисления выполняются по следующему алгоритму с помощью технологии компьютерного зрения:After the system configuration, the process of continuous geodetic monitoring of the controlled object begins. The monitoring process consists of processing a series of measurement sessions, which are formed into a sequence of cycles of geodetic monitoring of the controlled object. When the power button of the unit 12 for charging and powering the measuring module 1 is turned on, the interface unit 6 for receiving and transmitting digital data and, accordingly, the digital video camera 3, the LEDs 4 of the optoelectronic measuring unit 2 are initialized. With the help of the digital video camera 3, a video recording of the site with bubble levels 7-10 located on it is automatically performed with a user-defined frequency. The observation session on the measuring module 1 to determine the angles of inclination of the monitored object is performed as follows. The software unit 11 initializes the measurement module 1 and the communication unit 15 by exiting the low power mode and interrogates the current and voltage sensor 18 of the supercapacitor charging balancer 17 from the charging and power unit 12. If the charge on the charge accumulators 19 is sufficient to perform a measurement session and transmit digital data, the radiation source in the form of at least two LEDs 4 and the detector in the form of a digital video camera 3 are launched. 10. During the working measurement session, the computer program automatically in block 15 using the Wemos D32 module converts the video recording into separate frames of the video stream in the form of photographic images of the position of the gas bubble in bubble levels 7-10. To do this, the video recording is divided into four frames corresponding to the arrangement of bubble levels 7-10. Each video image is then segmented into 2-channel still images to save transmission power. Segmented photographic images are recorded in the memory block 14. In parallel, indicators are recorded from the temperature sensor 13. Upon completion of the measurement session, the software module 11 turns off the optoelectronic measuring unit 2 and initiates the process of transmitting digital data of a preliminary digital streaming video image in the form of a segmented photo image, which in the form of a message from the memory block 14 of the interface module 6 for receiving and transmitting digital data is sequentially transmitted to the communication unit 15, to be sent via the communication unit 15, for example, via VHF (Lora SX1262) or Wifi (ESP32) modules, to the recording station 5 PC-based user with general and application software, designed to collect, store, process pre-digital streaming video and post-process digital data. Upon completion of the digital data transfer process, the software module 11 turns off the communication unit 15 and goes into low power mode for a time determined by the measurement period. Then the initialization cycle of the measuring module 1 is repeated again. At the user's recording station 5, using a computer program, the inclination angle of the controlled object is determined automatically by the algorithms of computer vision technology during the observation session. Calculations are performed according to the following algorithm using computer vision technology:
- для каждого полученного фотоизображения определяется контур газового пузырька пузырьковых уровней 7-10;- for each obtained photographic image, the contour of the gas bubble of bubble levels 7-10 is determined;
- для каждого полученного контура газового пузырька пузырьковых уровней 7-10 определяется описывающий вспомогательный прямоугольник;- for each obtained contour of a gas bubble of bubble levels 7-10, a describing auxiliary rectangle is determined;
- вычисляются координаты углов полученных вспомогательных прямоугольников в системе координат каждого фотоснимка газового пузырька пузырьковых уровней 7-10;- the coordinates of the corners of the obtained auxiliary rectangles are calculated in the coordinate system of each photograph of a gas bubble of bubble levels 7-10;
- вычисляется разность координат углов соответствующих вспомогательных прямоугольников текущего и предыдущего кадра измерений для каждого из пузырьковых уровней 7-10;- the difference in the coordinates of the corners of the corresponding auxiliary rectangles of the current and previous measurement frame is calculated for each of the bubble levels 7-10;
- в случае ухода газового пузырька пузырькового уровня 7 и пузырькового уровня 9 за диапазон измерений из-за понижения температуры, определение угла наклона контролируемого объекта выполняется по соответствующим сопряженным пузырьковым уровням 8 и 10, то есть для определения угла наклона измерительного модуля 1 используется отчет, полученный по основным пузырьковым уровням 7, 9 по осям X, Y с ценой деления шкалы A в диапазоне ±D A (t). В случае отсутствия возможности определить контур газового пузырька основных пузырьковых уровней 7, 9 из-за низких температур окружающей среды в полевых условиях, отчет для определения угла наклона измерительного модуля 1 берется по пузырьковым уровням 8, 10 по осям X, Y с ценой деления шкалы B в диапазоне ±D B (t) пузырьковых уровней 8, 10 на текущей эпохе наблюдения;- in the event that the gas bubble of bubble level 7 and bubble level 9 go beyond the measurement range due to a decrease in temperature, the angle of inclination of the controlled object is determined using the corresponding conjugate bubble levels 8 and 10, that is, to determine the angle of inclination of the measuring module 1, the report obtained from the main bubble levels 7, 9 along the X , Y axes with the division value of the scale A in the range ± D A (t) is used. If it is not possible to determine the contour of the gas bubble of the main bubble levels 7, 9 due to low ambient temperatures in the field, the report for determining the angle of inclination of the measuring module 1 is taken along the bubble levels 8, 10 along the X , Y axes with the division value of the scale B in the range ±D B (t) of bubble levels 8, 10 at the current observation epoch;
- разности координат предыдущей и последующей эпох, показатели с датчика 13 температуры всего сеанса наблюдений формируются в общий вектор наблюдений;- the difference in the coordinates of the previous and subsequent epochs, the indicators from the temperature sensor 13 of the entire observation session are formed into a common vector of observations;
- вектор наблюдений подается на вход натренированной нейросети, на выходе нейросети формируется ответ в виде угла наклона контролируемого объекта за сеанс наблюдения. Нейросеть используется в роли авторегрессионной модели координат перемещения для каждого пузырькового уровня 7-10 и изменения температуры по углам наклона контролируемого объекта;- the observation vector is fed to the input of the trained neural network, at the output of the neural network a response is formed in the form of the angle of inclination of the controlled object for the observation session. The neural network is used as an autoregressive model of movement coordinates for each bubble level 7-10 and temperature changes along the angles of inclination of the controlled object;
- вычисленные значения относительных смещений пузырьковых уровней 7-10 автоматически посредством компьютерной программы по соответствующему алгоритму с помощью технологии компьютерного зрения записываются в базу данных геодезического мониторинга на регистрирующей станции пользователя 5.- the calculated values of the relative displacements of bubble levels 7-10 are automatically recorded by a computer program according to the appropriate algorithm using computer vision technology in the geodetic monitoring database at the user's recording station 5.
Таким образом, в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды на каждом опорном пункте, включающем геодезический репер, оснащенный предлагаемым устройством, выполняют измерения относительных смещений свободно плавающего по поверхности мениска газового пузырька в спиртовой жидкости в упомянутых уровнях 7-10 с помощью детектора, выполненного в виде цифровой видеокамеры 3, а данные результатов измерений пространственного положения светового пятна газового пузырька в полости капсулы получают в виде предварительного цифрового потокового видеоизображения текущего положения газового пузырька в спиртовой жидкости в упомянутых уровнях 7-10 относительно его начального положения, которое передают в модуль получения данных результатов измерений, выполненный в виде регистрирующей станции 5 пользователя на базе ПК с общим и прикладным ПО или удаленного сервера с возможностью сбора, хранения, обработки предварительного цифрового потокового видеоизображения посредством алгоритмов технологии компьютерного зрения путем цифрового автоматического сравнения координат углов вспомогательных прямоугольников в системе координат цифрового видеоснимка, описывающего текущее положение газового пузырька в упомянутых уровнях 7-10, с координатами углов этого прямоугольника, полученных на предыдущей эпохе наблюдения (предыдущем кадре цифрового видеоснимка) и автоматического преобразования полученных цифровых значений посредством алгоритмов машинного обучения относительных изменений координат вспомогательного прямоугольника, описывающего соответствующие положения газового пузырька в указанных уровнях в высокоточные значения, продольных по оси X и поперечных по оси Y, углов наклона контролируемого объекта, при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды.Thus, in real time, under conditions of extremely low ambient temperatures, at each reference point, including a geodetic benchmark equipped with the proposed device, measurements are made of the relative displacements of a gas bubble freely floating on the meniscus surface in an alcoholic liquid at the mentioned levels 7-10 using a detector made in the form of a digital video camera 3, and the measurement results of the spatial position of the gas bubble light spot in the capsule cavity are obtained in the form of a preliminary digital streaming video image of the current position of the gas bubble in alcohol liquid in the mentioned levels 7-10 relative to its initial position, which is transmitted to the module for obtaining measurement results data, made in the form of a user recording station 5 based on a PC with general and application software or a remote server with the ability to collect, store, process a preliminary digital streaming video image using computer vision technology algorithms by digitally automatically comparing the coordinates of the corners of the auxiliary rectangles in the coordinate system of a digital video image describing the current position of the gas bubble in the mentioned levels 7-10, with the coordinates of the corners of this rectangle obtained on the previous epoch of observation (previous frame of a digital video image) and automatic conversion of the obtained digital values by means of machine learning algorithms of relative changes in the coordinates of the auxiliary rectangle describing the corresponding positions of the gas bubble at the indicated levels into high-precision values, longitudinal along the axisX and transverse along the axisY, angles of inclination of the controlled object, during geodetic monitoring in real time under conditions of extremely low ambient temperatures.
По завершению сеанса определения углов наклона элементов контролируемого объекта с каждого измерительного модуля 1 системы геодезического мониторинга ведется запись полученных значений в базу данных, расположенную на регистрирующей станции 5 пользователя.Upon completion of the session of determining the angles of inclination of the elements of the controlled object from each measuring module 1 of the geodetic monitoring system, the obtained values are recorded in the database located at the user's recording station 5.
По результатам анализа сеансов и циклов наблюдений выполняется оценка и прогноз состояния контролируемого объекта, оповещение пользователя системы о состоянии контролируемых инженерных или природных объектов в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды, например, в районах вечной мерзлоты, с целью предиктивной диагностики целостности сооружений, а также оперативного обнаружения первичных признаков потери устойчивости сооружений и выработки четких превентивных управляющих решений для предотвращения аварийных ситуаций на контролируемом объекте.Based on the results of the analysis of sessions and cycles of observations, the assessment and forecast of the state of the controlled object is carried out, the user of the system is notified about the state of controlled engineering or natural objects in real time in conditions of extremely low ambient temperatures, for example, in permafrost areas, in order to predict the integrity of structures, as well as promptly detect primary signs of loss of stability of structures and develop clear preventive control decisions to prevent accidents at the controlled object.
Уровень технологической разработки предлагаемых технических решений и технической реализации выделяет их из ряда существующих способов и устройств. Прежде всего, это касается возможности применения способа и устройства в качестве тестовой технологии при метрологической аттестации устройств в автоматизированных системах геодезического мониторинга планово-высотных смещений контролируемого объекта, так как предлагаемые способ и устройство для высокоточного определения углов наклона контролируемого объекта при геодезическом мониторинге посредством технологии компьютерного зрения в режиме реального времени в условиях экстремально низких температур окружающей среды дает возможность:The level of technological development of the proposed technical solutions and technical implementation distinguishes them from a number of existing methods and devices. First of all, this concerns the possibility of using the method and device as a test technology for metrological certification of devices in automated systems for geodetic monitoring of planned and high-altitude displacements of a controlled object, since the proposed method and device for highly accurate determination of the angles of inclination of a controlled object during geodetic monitoring using computer vision technology in real time under conditions of extremely low ambient temperatures makes it possible to:
- с высокой точностью выполнять оценку состояния контролируемых элементов объекта в режиме реального времени;- with high accuracy to assess the state of the controlled elements of the object in real time;
- с высокой точностью выполнять предиктивную диагностику целостности контролируемых элементов объекта;- perform predictive diagnostics of the integrity of the controlled elements of the object with high accuracy;
- с высокой точностью получать информацию о первичных признаках потери устойчивости контролируемого объекта;- to obtain information with high accuracy about the primary signs of loss of stability of the controlled object;
- на основании прогноза вырабатывать превентивные управляющие решения для предотвращения аварийных ситуаций на контролируемом объекте, тем самым повышать безопасность его эксплуатации.- based on the forecast, develop preventive control solutions to prevent emergencies at the controlled object, thereby increasing the safety of its operation.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2800188C1 true RU2800188C1 (en) | 2023-07-19 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2821670C1 (en) * | 2023-12-19 | 2024-06-26 | Акционерное общество "Мессояханефтегаз" | Method of determining deformations of pile supports of pipeline using navigation satellite systems |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2496124C1 (en) * | 2012-08-15 | 2013-10-20 | Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") | System for high-precision monitoring of displacements of engineering structures |
| RU2652652C1 (en) * | 2017-02-09 | 2018-04-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" | Method of geodetic geoinformation monitoring of natural and man-made objects with the application of the automatic interpretation method of multispectral digital aerospace photographs |
| RU2655024C2 (en) * | 2016-07-26 | 2018-05-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина" | Method and device for measuring angle of tilt |
| US20200354917A1 (en) * | 2015-05-21 | 2020-11-12 | Aquadation Llc | Structural foundation monitoring sensor system |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2496124C1 (en) * | 2012-08-15 | 2013-10-20 | Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") | System for high-precision monitoring of displacements of engineering structures |
| US20200354917A1 (en) * | 2015-05-21 | 2020-11-12 | Aquadation Llc | Structural foundation monitoring sensor system |
| RU2655024C2 (en) * | 2016-07-26 | 2018-05-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина" | Method and device for measuring angle of tilt |
| RU2652652C1 (en) * | 2017-02-09 | 2018-04-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" | Method of geodetic geoinformation monitoring of natural and man-made objects with the application of the automatic interpretation method of multispectral digital aerospace photographs |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2821670C1 (en) * | 2023-12-19 | 2024-06-26 | Акционерное общество "Мессояханефтегаз" | Method of determining deformations of pile supports of pipeline using navigation satellite systems |
| RU2832854C1 (en) * | 2024-05-30 | 2025-01-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" | Digital video tiltmeter for high-accuracy determination of inclination angles of controlled object, engineering or natural, during geodetic monitoring by means of computer vision technology in real time in extreme climatic conditions |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN207123616U (en) | A kind of deflection of bridge span real-time monitoring device based on laser ranging technique | |
| CN114444158B (en) | Underground roadway deformation early warning method and system based on three-dimensional reconstruction | |
| CN104197852B (en) | Reservoir dam depression and horizontal displacement monitoring system | |
| CN104180759B (en) | Reservoir dam depression and horizontal displacement Trigger jitter detection device and detection method | |
| CN106679645B (en) | Real-time navigation device based on multi-directional polarized light | |
| CN202994137U (en) | Dual type observing ruler combination composite level gauge | |
| CN101958154B (en) | Platform automatic leveling device based on machine vision | |
| CN108981825A (en) | A kind of transmission tower monitoring device based on NB-loT, system and method | |
| CN206223097U (en) | For the vertical displacement of large structure body and the measurement apparatus of ground settlement | |
| CN112330745A (en) | Binocular vision-based monitoring and early warning system and method for the stability of the slope at the tunnel entrance | |
| CN106895788A (en) | A kind of reservoir dam deformation auto-monitoring method and system | |
| CN106840092B (en) | Using the method for laser range finder monitoring high-supported formwork | |
| CN103217188A (en) | Remote sensing and remote metering hand-held machine | |
| CN106871793A (en) | A kind of use laser and the method for imaging technique combined monitoring building displacement | |
| CN106603002B (en) | A kind of photovoltaic plant fault detection system | |
| RU2800188C1 (en) | Method for high-precision determination of angles of inclination of controlled engineered or natural object during geodetic monitoring using computer vision technology in real time under extremely low ambient temperatures, and device for its implementation | |
| CN112212842A (en) | High-speed railway straightway multimode AI precision measurement robot | |
| CN104735421B (en) | High-rise settlement detecting device and the method for carrying out sedimentation detection | |
| CN208398856U (en) | Whole station type three-dimensional high-speed laser scanning multiple spot self-operated measuring unit | |
| CN112815863B (en) | Deformation monitoring system, deformation monitoring method, deformation calculation device and storage medium | |
| CN204007536U (en) | Reservoir dam depression and horizontal shift reference point pick-up unit | |
| CN114910011A (en) | Deep foundation pit excavation depth automatic monitoring device and system | |
| CN202453010U (en) | Remote sensing and remote measuring handheld set | |
| CN216523687U (en) | High-rise building shakes real-time supervision device based on vision fuses with sensor | |
| CN204442576U (en) | High-rise settlement detecting device |