Sistem Móvel de Levtmeto Terrestre Sérgio Mdeir Uiversidde de Trás-os-Motes e Alto Douro José Alberto Goçlves Luís Cerqueir Bstos Uiversidde do Porto
Sistem Móvel de Levtmeto (SML) - Um defiição Sistem de levtmeto compcto em pltform móvel sobre qul se colocrm sesores itegrdos e sicroizdos reltivmete o tempo de form proporcior posiciometo tri-dimesiol georreferecido cotíuo d pltform e d iformção geo-espcil obtid pelos sesores (Grejer-Brzezisk ).. 7-5-
Sesores de Levtmeto Sesores de posição/orietção direct Câmr Fotográfic Digitl Câmr de Vídeo Digitl Câmr de Vídeo VHS Lser Scer Outros... GPS Sistem de vegção Iercil (IS) Acelerómetros Giroscópios Uidde de Medição Iercil (IMU) Odómetro Bússol Digitl Giroscópio Icliómetro Outros... 7-5- 3
Descrição geométrico-lític Retirdo de Cmero Ellum e ser El-Sheimy 7-5- 4
Pricipis dificulddes implemetção de um MMS A obteção d posição e orietção do sesor em cd medição é crucil. O GPS está vocciodo pr obteção de posições. o etto em zos urbs ou de vegetção des é orml ocorrer perc de sil origido lcus solução GPS. Os Sistems de vegção Iercil permitem obter posição/orietção/velocidde utoommete de form precis medido celerções e rotções reltivs. o etto cumulção de erros fz com que sejm efectivos durte pouco tempo. Os sesores de levtmeto e de posição/orietção terão de obter iformção de form sicroizd um vez que o sistem está em movimeto. 7-5- 5
Forms de cotorr s pricipis dificulddes os sistems em que é requerid mior precisão us-se um sistem itegrdo GPS / IS. este cso o IS permite colmtr s lcus GPS. Usdo um filtro Klm é possível modelr os erros sistemáticos GPS e IS icremetdo id o ível de precisão. os sistems meos exigetes o ível d precisão usm-se combições do tipo odómetro / icliómetro / giroscópio ou outrs pr colmtr s flhs GPS. O problem d sicroizção pode ser resolvido descrregdo os ddos um processdor cetrl usdo iterrupções de hrdwre de um deles (ormlmete um GPS) pr provocr o evio de sil por prte dos outros prelhos. 7-5- 6
Perspectiv Históric... Dispoibilizção do sistem GPS - iício dos os 8. Crição do Ceter for Mppig Uiversidde de Ohio (EUA) com o ptrocíio d ASA - 986. Estudo e desevolvimeto ds tecologis de orietção direct os os posteriores. Desevolvimeto do Mobil Highwy Ivetory System Albert Cdá. Sistem de Levtmeto Ciemático GPS LL + IS do Tipo strpdow. 7-5- 7
VISAT uiversidde de Clgry Cdá - 99. Crcterístics: receptores GPS de dupl frequêci + IS (strpdow) + odómetro Itegrção GPS/IS/Odómetro trvés de filtro Klm Zero updtes system (ZUPT). Sistem de vegção com precisão sub-métric. 8 câmrs de vídeo digitis tipo CCD Computdor pr recolh de ddos especilmete desevolvido deomido VLOG. 7-5- 8
GPSV ª gerção Uiversidde de Ohio EUA - 993. Crcterístics: GPS diferecil de dupl frequêci. IS do tipo strpdow Itegrção GPS + IS trvés de filtro Klm Precisão do sistem de vegção: decimétric. câmrs CCD PulixTMC-97 (color) Processmeto dos pres estereoscópicos em pós-missão com o softwre StereoMAP. 7-5- 9
GPSV 3ª gerção (O-SIGHT) 995. Crcterístics: GPS diferecil de dupl frequêci. GPS/strpdow IS L- com uso de filtro Klm pr modelção dos erros do sistem. Precisão de decimétric. 4 câmrs CCD PulixTMC-97 (color) Processmeto dos pres estereoscopicos em pós-missão com o softwre STEPS. 7-5-
Em medos dos os 9 utilizção d tecologi GPSV foi licecid váris empress orte merics pssdo os posteriores desevolvimetos ser feitos em prceri. Aprecerm ssim sistems comerciis com váris omeclturs: TrsVisio d Globl Visio (dptção do GPSV crris). GPSVisio d Lmbd Tech Itertiol. O-SiGHT d Trsmp Corportio 7-5-
Etretto outros sistems têm sido desevolvidos: VISAT (Uiversity of Clgry 993) vegção: GPS de dupl frequêci IMU Levtmeto: 8 câmrs CCD moocrómtics Pltform: crrih. GIM (AVSYS Corp 994) vegção: GPS IMU de bixo custo. Levtmeto: câmr CCD câmr VHS Pltform: cmião. KiSS (Uiversity of the Federl Armed Forces Muich 995) vegção: GPS IMU Odómetro Brómetro Icliómetro Bússol Digitl. Levtmeto: câmrs CCD câmr VHS Pltform: crrih. 7-5-
CDSS (Geodetic Istitute Ache 998) vegção: C/A code GPS odómetros brómetro. Levtmeto: câmrs CCD moocromátics. Pltform: crrih. Lser Scer MMS (Wuh Techicl Uiversity ) vegção: GPS. Levtmeto: câmr CCD Lser Scer Pltform: cmião. Bckpck MMS (Uiversity of Clgry ) vegção: GPS Bússol digitl Icliómetro. Levtmeto: vídeo-câmr digitl Pltform: um pesso. 7-5- 3
SML Uiversidde de São Pulo Brsil - 3 vegção: GPS de dupl frequêci Levtmeto: câmrs de vídeo tipo cm-corder. Pltform: crrih. Bckpck MMS (Uiversidde de Pádu 7) vegção: GPS f Bússol digitl Icliómetro. Levtmeto: câmr fotográfic digitl Pltform: um pesso. 7-5- 4
Uiversidde de Ohio (Toth & Brzezisk ) vegção: GPS f + IS (filtro Klm) Levtmeto: câmrs de vídeo (orietd p/bixo). Pltform: crrih. Istituto Federl Suíço de Tecologi 4 vegção: GPS f + IS + Odómetro. Levtmeto: câmr digitis Pltform: crrih. 7-5- 5
Desevolvimeto de um SML como projecto de ivestigção Uiversidde do Porto Ddo que existi trblho prévio o ível dos Sistems de Georreferecição Direct por ssocição de GPS + IS decidiu-se desevolver um SML que tirsse prtido desse mesmo trblho. Os sistems existetes etão desevolvidos por uiversiddes ou empress presetvm: - Custos muito ltos o ível do equipmeto - Complexidde e exigêci de pessol especilizdo o ível do Levtmeto Decidiu-se optr pel lih do bixo custo e d simplicidde o ível do levtmeto e do pósprocessmeto. 7-5- 6
Motivção A existêci de um Sistem de Georreferecição Direct desevolvido previmete Uiversidde do Porto (Bstos Tomé Cuh ). Ddos GPS Ddos IS Computdor de quisição PPS Pulso de Tempo 7-5- 7
Motivção O desfio de dicior o Sistem de Georreferecição direct existete sesores de imgem que permitissem extrpolr s posições obtids pr os objectos existetes o espço evolvete. Recetes desevolvimetos o ível d tecologi dos sesores CCD que permitirm obter mteril de bixo custo ms com s crcterístics dequds o pretedido. Recetes desevolvimetos o ível d tecologi dos computdores portáteis que lrgmete icremetrm s cpciddes de processmeto rmzemeto e trsferêci de ddos. 7-5- 8
Sesores imgem Crcterístics: Aquisição digitl trvés de CCD ½ cores. Resolução de 64 x 48 pixeis Tx de quisição té 3 Hz Trsferêci e cotrolo trvés de protocolo FireWire Trigger trvés de sil extero em modo ssícroo. Letes: Distâci focl: mm Iris.4 C Cmpo de visão: 8º (H) Prfusos de fixção de focgem e iris 7-5- 9
Arquitectur do sistem de quisição de imges Ate Receptor GPS PPS Microprocessdor PPS Trigger cm Trigger cm Mesges MEA Sicroizção de tempo RS-3 Compressão Armzemeto Etiquets de tempo Protocolo Firewire Imgem Imgem 7-5-
Sistem de georreferecição direct (ltertivo) Crcterístics Receptor U-blox SBR-LS Apes código C/A Correcções Egos PPS Mesges MEA Possibilidde de multiplicr o PPS Itegrção com Ded Reckoig por filtro Klm em tempo rel se ligdo o odómetro do crro. este cso: (GPS + Gisroscópio + Odómetro) Precisão horizotl ( metros) GPS CAM-SYC 7-5-
Modelo fotogrmétrico Referecil Imgem e Referecil Objecto Z Y z A L (X L Y L Z L ) O X 7-5-
7-5- 3 Equções de colieridde s q f z z z s r f x x x... ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 33 3 3 3 3 L L L L L L L L L Z Z m Y Y m X X m q Z Z m Y Y m X X m s Z Z m Y Y m X X m r s q f z z Z Y X Z Y X p p k k k f z Fz s r f x x Z Y X Z Y X p p k k k f x Fx L L L L L L.. ) (. ) ( 3 3
Orietção Iter de um câmr Câmr Z Alvo Tx Tz Ty Y X 7-5- 4
7-5- 5 Orietção Iter de um câmr modelção mtricil M M M M B B B X X X X A A A A A A A : :.. : : : : :.... 6 6 6 6 6 6 m 9 7 6 5 5 4 3 9 8 7 6 5 4 3 9 8 7 6 5 4 3 9 8 7 6 5 4 3........................... A m.5.4.3....5.4.3....5.4.3....5.4.3..................... A T p p k k k f z x 3 X T m m m m m m m ZL YL XL X Fz z Fx x Fz z Fx x m : B
Orietção reltiv de dus câmrs Z z Y A L X TX = L T Z T Y 7-5- 6
7-5- 7 Orietção reltiv de dus câmrs modelção mtricil B B B X X X X A A A A A A : :.. : : : : :.... 3 4 3 4 3 4 3 4 3 4 3 4 i A.5.4....5.4... i A.8.7.6.8.7.6.8.7.6.8.7.6 T T Y T Z X T Z Y X X i Fz z Fx x Fz z Fx x B
7-5- 8 Obteção de coordeds objecto prtir de potos cojugdos X y x Y L L P (XY) T X TY k y x '. '. '. '. '. '. '. '. ' ' ' ' ' ' ' ' L L L L L L L L Y z Z y Y x X y Y z Z y Y x X y y z x y y z x y Z Y X. ' ' ' z z f x x z y x T M B T T T S Z Y X
7-5- 9 Obteção de coordeds o referecil bsoluto Z Y X O O O A A A T T T Z Y X Z Y X M T.
Determição utomátic do cojugdo (stereomtchig) Z Projecção do Templte Templte Y A' L L 4 3 4 3 Trsformção projectiv X 7-5- 3
Desevolvimeto do Sistem 7-5- 3
Clibrção do Sistem Clibrção ds câmrs Orietção iterior de cd câmr Determição dos prâmetros de distorção rdil e tgecil de cd câmr. Orietção Reltiv ds Câmrs Determição ds três rotções e três trslções d câmr direit reltivmete à esquerd. Orietção ds câmrs reltivmete o Sistem de Georreferecição Direct. Determição de três prâmetros de offset gulr e três prâmetros de offset lier d câmr esquerd reltivmete o SGD. 7-5- 3
Clibrção dos Sesores de imgem Prâmetros cosiderdos clibrção ds câmrs Orietção iterior Distâci focl (f) Poto pricipl (x z) Fctor escl em z () Distorção ds letes Distorção rdil (k e k) Distorção tgecil (p e p) Pr cd câmr usm-se imges de um piel de clibrção com cerc de 6 potos cohecidos. 7-5- 33
Clibrção dos Sesores de imgem Um exemplo Imges obtids pr clibrção Reprojecção pr s imges (pixeis) 7-5- 34
Orietção reltiv ds câmrs Prâmetros Z Âgulos d câmr direit reltivmete à esquerd: Z k Compoetes d bse: by bz bz Y X São ecessários pelo meos 5 potos de cotrolo. X Y 7-5- 35
Orietção reltiv ds câmrs Um exemplo usdo 5 potos de cotrolo. 7-5- 36
Istbilidde observd os resultdos d Orietção reltiv A bse do sistem é curt (.4m). Isso origi lgum istbilidde determição do âgulo (rotção do eixo Z) Zo de icertez ds coordeds de P y Y P (XY) O âgulo é de primordil importâci o trsporte de coordeds um vez que determi distâci o objecto. y x x L Bse L X 7-5- 37
Aálise de erro d orietção reltiv cosiderdo um dp de 5 pixeis (vlor obtido por testes) Sem distâci de cotrolo. Agulo Agulo Agulo Medi: -.4º dp:.54º Medi:.63º dp:.6º Medi:.4º dp:.45º A geometri pobre do sistem origi: Istbilidde determição do âgulo k Elipse de erro muito logd direcção Y pr s coordeds dos potos objecto. 7-5- 38
Melhormeto d Orietção reltiv Distâci de cotrolo Decidiu-se itroduzir um distâci de cotrolo o processo de Orietção Reltiv. Ess distâci fucio como um restrição o sistem de equções. 7-5- 39
Aálise de erro d orietção reltiv cosiderdo um dp de 5 pixeis (vlor obtido por testes) Com distâci de cotrolo. Agulo Medi: -. dp:.57 Agulo Medi:.63 dp:.6 Agulo Medi:.5 dp:. A itrodução de um distâci de cotrolo permitiu: Superr Istbilidde determição do âgulo k Obter coordeds objecto mis próxims ds sus posições reis. 7-5- 4
Prâmetros de offset etre o Referecil Veículo e o Referecil Câmrs Zv Zc Xc Xv offset Z offset Âgulos de rotção etre o Referecil Veículo e câmr esquerd. - offset X offset Y offset - offset - offset Yc Yv offset Compoetes de trslção etre o Referecil Veículo e câmr esquerd: - Tx - Ty - Tz 7-5- 4
Determição dos Prâmetros de offset. Os prâmetros de trslção ão ecessitm de ser medidos de form muito precis. Um fit métric é suficiete. Limitções o cso dos offsets gulres estes ecessitm de ser medidos de form rigoros um vez que os erros cometidos su medição propgm-se pr s coordeds dos objectos umetdo com distâci. Os métodos existetes pr obter estes offsets são complexos e pouco expeditos. ecessitm d existêci de potos de cotrolo. Estes offsets mudm sempre que s câmrs são ovmete colocds pltform. 7-5- 4
Método usdo pr determição dos offsets gulres. referecil câmrs by or Referecil veiculo offset by rct bx or or offset bx or offset bz rct bx or or T offset É ecessário que bse estej perfeitmete perpediculr o eixo Y do Referecil Veículo. Um erro de cm o lihmeto ds câmrs origi 5º de erro o offset k o que represet cm de erro s coordeds m de distci. 7-5- 43
.4 Testes medição de coordeds reltivs A fchd de um edifício foi levtd com Estção Totl de form testr precisão reltiv do sistem. Deseho CAD Levtmeto. MURO FACHADA DO EDIFICIO P 7.37 58.78 7.88 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 7 8 9.84 T 3.47 L.48 3.6 L E VERMELHO - PRIMEIRO PAR FOTOGRAMETRICO AZUL - SEGUDO PAR FOTOGRAMETRICO.48 VERDE - TERCEIRO PAR FOTOGRAMETRICO P 7-5- 44
Resultdos medição de coordeds reltivs Poto Erro X (m) Erro Y (m) Erro lier plo (m) Distâcis iferiores metros Médis -.. EMQ..7.4 Distâcis etre e 3 metros Médis.3 -. EMQ...4 Distâcis etre 3 e 5 metros Médis.6 -.4 EMQ.85.5.88 7-5- 45
Testes medição de coordeds bsoluts Form coordedos cerc de potos usdo um receptor GPS de dupl frequêci em modo estático. Erro em X Erro em Y Erro lier Médi -..8.5 EMQ.4.9.7 7-5- 46
Softwre fotogrmétrico Mobil crido em ligugem Mtlb 7-5- 47
O Sistem é versátil e tem sido usdo em diferetes cotextos 7-5- 48
O Sistem é versátil e tem sido usdo em diferetes cotextos Usos em que se mostr dequdo Levtmeto de mobiliário urbo (silizção tmps de semeto prges piéis publicitários etc). Levtmeto e ispecção de mobiliário dos eixos viários. Aquisição de ddos e ctulizção de sistems de iformção. Há mrgem pr melhorr precisão do sistem ctudo sobretudo o ível do Sistem de Georreferecição direct. 7-5- 49
Actulmete o sistem está ser dptdo á moitorizção de zos costeirs 7-5- 5
Extrcção de Grelh com o softwre MOBIL 7-5- 5
Fix de 8 metros extríd utomticmete Fim de presetção 7-5- 5