Создание ультразвуковой системы сканирования поверхности Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 004.358

СОЗДАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СИСТЕМЫ СКАНИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ

Иван Александрович Кноль

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры картографии и геоинформатики, тел. (903)903-54-99, e-mail: [email protected]

Акбар Камиранович Мухтаров

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, студент, тел. (951)372-08-47, e-mail: [email protected]

В статье предлагается описание алгоритма получения цифровой модели поверхности. Данный алгоритм будет использован для определения пространственно-временного состояния техногенного объекта. В работе реализована роботизированная установка, позволяющая получать облако точек, которое является сеткой высот некоторой изучаемой поверхности.

Ключевые слова: техногенный объект, пространственно-временное состояние, геоинформационные ресурсы, цифровая модель поверхности, ультразвук, датчик.

THE CREATION OF THE ULTRASONIC SCANNING SYSTEM OF A SURFACE

Ivan A. Knot

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., graduate student of the Department of Cartography and Geoinformatics, tel. (903)903-54-99, e-mail: [email protected]

Akbar K. Mukhtarov

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., student, tel. (951)372-08-47, e-mail: [email protected]

The article offers a description of the algorithm for obtaining the digital surface model. This algorithm will be used to determine the spatial-temporal condition of man-made object. At this stage, the implemented robotic, allowing to obtain the point cloud, which is a grid of the heights of some of the studied surface.

Key words: technogenic object, spatial-temporal condition, GIS resources, digital surface model, the ultrasound sensor.

Техногенные объекты неотъемлемая часть жизни человека. Контроль за данными сооружениями и зданиями представляет собой одну из основных задач геодезии и геоинформатики.

В настоящее время всё большее внимание уделяется автоматизации мониторинга техногенных объектов, предлагаются новые методы и алгоритмы получения и обработки данных. [1-3].

В статье предлагается описание алгоритма получения цифровой модели поверхности. Данный алгоритм будет использован для определения простран-

ственно-временного состояния техногенного объекта. На данном этапе реализована роботизированная установка, позволяющая получать облако точек, которое является сеткой высот некоторой изучаемой поверхности (рис. 1)

Рис. 1. Роботизированный комплекс, реализованный для получения цифровой

модели поверхности

Ультразвуковые датчики работают на частотах от 40 до 130 кГц. Расстояние рассчитывается по времени прохождения сигнала от датчика до приемника. Используя несколько приемников, можно точно рассчитать местоположение передатчика. Точность повышается при использовании четырёх и более приемников.

Преимуществами использования является высокая точность позиционирования. К недостаткам можно отнести, то, что возможны помехи от высокочастотных источников звука и малый радиус.

Для исключения недостатков требуется тщательное планирование системы, а также постоянная калибровка, в целях уменьшения влияния погрешностей в работе системы.

Ультразвуковой дальномер HC-SR04 может служить прекрасным датчиком для робота, благодаря которому он сможет определять расстояния до объектов, объезжать препятствия, или строить карту помещения. Его можно также использовать в качестве датчика для сигнализации, срабатывающего при приближении объектов.

Дальномер обладает следующими характеристиками: напряжение питание: 5 В; потребление в режиме тишины: 2 мА; потребление при работе: 15 мА; диапазон расстояний: 2-400 см; эффективный угол наблюдения: 15°; рабочий угол наблюдения: 30°.

Датчик имеет следующие контакты для подключения: Vcc — положительный контакт питания; Trig — цифровой вход (для запуска измерения необходимо подать на этот вход логическую единицу на 10 мкс. Следующее измерение рекомендуется выполнять не ранее чем через 50 мс.); Echo — цифровой

выход (после завершения измерения, на этот выход будет подана логическая единица на время, пропорциональное расстоянию до объекта); GND — отрицательный контакт питания. [4-5]

На рис. 2 представлена траектория движения ультразвукового дальномера. Таким образом, снимается облако точек, которое характеризует поверхность.

Рис. 2. Наглядное отображение траектории движения ультразвукового

дальномера (вид сверху)

При рассмотрении облака точек, полученных в результате движения дальномера по одному из векторов, можно сделать вывод о том, что поверхность того или иного объекта не едина по высоте (рис. 3).

Рис. 3. Облако точек, полученные в результате прохода по одному из векторов

движения дальномера

Текущие результаты являются основой для дальнейшей модернизации роботизированной установки и отработки данного алгоритма в процессе облёта реального техногенного объекта квадрокоптером.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Сибриков. С. Г. Техногенные системы и экологический риск: учебное пособие / С. Г. Сибриков; Яросл. го. ун-т им. П. Г. Демидова. - Яровславль: ЯрГУ, 2009. - 156 с.

2. Мендель И. Д., Кластерный анализ. - М.: Финансы и статистика. 1988 г. - 176 с., ил., 4 с.

3. Бугакова Т. Ю. Моделирование изменения пространственно-временного состояния инженерных сооружений и природных объектов по геодезическим данным // Вестник СГУГиТ. - 2015. - Вып. 1 (29). - С. 34-42.

4. Искусственный интеллект: стратегии и методы решения сложных проблем, 4-е издание. : Пер. с англ. - М.: Издательский дом "Вильяме", 2003. - 864.

5. Ю.И.Журавлев, В.В.Рязанов, О.В.Сенько. РАСПОЗНАВАНИЕ. Математические методы. Программная система. Практические применения. ИЗДАТЕЛЬСТВО ФАЗИС, МОСКВА, 2005.

© И. А. Кноль, А. К. Мухтаров, 2017