БЕСКОНТАКТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЕКТОРА СКОРОСТИ Российский патент 2002 года по МПК G01P3/68 

Изобретение относится к приборостроению, а именно к устройствам, предназначенным для определения направления, скорости и пройденного пути движущегося объекта, и может быть использовано, например, для измерения скорости проката и для навигации летательных аппаратов.

Известен корреляционный измеритель скорости (Ржевкин В.А., Леденев А.Д. Корреляционный измеритель скорости. Авторское свидетельство СССР 466453, кл. G 01 Р 3/64. Публикация 26.06.75), содержащий два входных усилителя-ограничителя, выходы первого из которых соединены со входами первого и второго регистров сдвига, а выходы второго - с первыми входами совмещенных схем совпадения и вычитания, вторые и третьи входы которых соединены соответственно с промежуточными и последними ячейками первого и второго регистров сдвига, первый выход первой совмещенной схемы ИЛИ, второй вход которой соединен со вторым выходом второй совмещенной схемы совпадения и вычитания, а первый выход второй совмещенной схемы совпадения и вычитания соединен с первым входом второй схемы ИЛИ, второй вход которой соединен со вторым выходом первой совмещенной схемы совпадения и вычитания, выходы схем ИЛИ соединены с интегратором, выход которого соединен с генератором тактовых импульсов, соединенного своим выходом с входами продвигающих импульсов регистров сдвига и входом счетчика.

Однако точность такого корреляционного измерителя скорости ограничивается методическими ошибками, появляющимися при неравномерном движении или боковом сносе.

Известна корреляционно-экстремальная навигационная система летательных аппаратов, основанная на сравнении измеренного изображения местности с эталонным, снятым заранее и хранящимся на борту (Нуждин В.М., Чукин Л.Ф. Системы навигации ЛА по геофизическим полям Земли: уч. Пособие. - М.: Изд-во МАИ, 1992. - 64 с., с. 13-14). Она содержит измеритель поля, устройство предварительной обработки изображения, устройство хранения эталонной карты и устройство сравнения измеренного изображения и эталонной карты.

При таком построении системы требуется предварительный съем опорного изображения, причем для достижения точности в 1 см потребуется шаг карты порядка 1 см, а снимаемые значения должны быть информативны, стабильны во времени, независимы от метеоусловий и времени года. То есть для обеспечения высокой точности необходимо постоянно держать в памяти подробное достоверное изображение очень большого объема.

Известен бесконтактный матричный измеритель скорости, содержащий первое устройство для ввода и запоминания изображения в течение первого заданного периода времени и второе устройство для чтения и запоминания изображения в течение второго периода времени. Второе устройство срабатывает через регулируемый временной интервал после истечения первого периода времени. Компаратор сравнивает изображение, которое было считано и записано первым устройством, с изображением, которое было считано и записано вторым устройством. Компаратор связан с первым и вторым устройствами для ввода и хранения изображений и вырабатывает выходной индикаторный сигнал степени корреляции между изображениями. Специальная схема регулирует длину временного интервала. Она связана с первым и вторым устройствами. Эта схема изменяет временной интервал до тех пор, пока компаратор не выдаст сигнал полной корреляции между изображениями. При этом скорость вычисляется посредством деления расстояния между первым и вторым устройствами на регулируемый временной интервал. Вычисленная скорость выдается на индикаторное устройство (Kenneth D.Robertson. Non-contact velocimeter using arrays. Патент США 4162509, МКИ G 01 Р 3/36. Публикация 24 июля 1979г., том 984, 4).

Однако при непостоянном медленном или возвратном движении, наличии сноса или разворота точность такого корреляционного измерителя скорости, наиболее близкого к предлагаемому, ограничивается методическими ошибками. При непостоянном медленном или возвратном движении выдаваемые оценки скорости будут поступать редко и могут быть неверными (например, при отсутствии перемещения). При наличии сноса или разворота не будет достигнута полная корреляция между изображениями.

Предлагаемым техническим решением расширяется диапазон измеряемых скоростей, вводится возможность измерения перемещений объекта в произвольном горизонтальном направлении, в том числе при развороте, непостоянном медленном или возвратном движении.

Для достижения этого технического результата прототип (патент США 4162509), содержащий устройство ввода изображения, первое ЗУ изображения, второе ЗУ изображения, коррелятор изображений и индикаторное устройство, снабжен третьим ЗУ изображения, блоком аппроксимации корреляционных функций, блоком преобразования координат и расчета параметров движения, блоком решения о смене опорного изображения.

Устройство содержит (см. схему, приведенную на чертеже):
1 - устройство ввода изображения;
2 - первое ЗУ изображения;
3 - третье ЗУ изображения;
4 - второе ЗУ изображения;
5 - коррелятор изображений;
6 - блок аппроксимации корреляционных функций;
7 - блок преобразования координат и расчета параметров движения;
8 - индикаторное устройство;
9 - блок решения о смене опорного изображения;
Устройство работает следующим образом.

Все устройства и блоки измерителя работают синхронно, с постоянным периодом, достаточным для ввода одного изображения, расчета корреляционных функций и выходных оценок изменения координат объекта. Каждый цикл работы измерителя начинается с ввода изображения в ЗУ текущего изображения. По окончании измерений и вычислений изображение из первого ЗУ копируется в третье ЗУ, предварительно, при этом изображение из третьего ЗУ может быть (в зависимости от выполнения условия смены опорного изображения) скопировано во второе ЗУ.

В корреляторе изображений производится сравнение текущего изображения с опорным. Опорное изображение представляет собой изображение, считанное в один из предыдущих периодов работы измерителя. При сравнении производится расчет трех корреляционных функций: по одной для каждой оцениваемой координаты (X, Y, β -азимут). Результаты расчета запоминаются и могут быть записаны, например, в три линейные матрицы. В каждой линейной матрице отыскивается положение максимума. Найденным значениям соответствуют статистически наиболее вероятные приблизительные оценки перемещений объекта за время, прошедшее с момента снятия изображения, хранящегося во втором ЗУ опорного изображения.

Окончательные оценки перемещений объекта рассчитываются в блоке аппроксимации корреляционных функций путем аппроксимации точек корреляционных функций, расположенных возле найденного положения максимума и хранящихся в линейных матрицах. Аппроксимирующей функцией может быть парабола. Тогда в качестве окончательных оценок перемещений объекта за время, прошедшее с момента снятия опорного изображения, берутся вычисляемые положения максимумов аппроксимирующих функций, которые и поступают далее в блок преобразования координат и расчета параметров движения.

В блоке решения о смене опорного изображения вырабатывается условие смены опорного изображения на изображение, хранящееся в ЗУ предыдущего изображения. Решение о смене опорного изображения принимается, если выполняются оба из следующих условий:
1) зафиксировано большое смещение найденного положения максимума хотя бы в одной линейной матрице, т.е. такое, что при аппроксимации корреляционной функции была взята точка, находящаяся на краю матрицы;
2) произошло увеличение текущей ошибки положения.

Текущая ошибка положения равна корню из суммы квадратов отклонений по Х и Y вычисленных координат относительно целого числа шагов точек матрицы (т. е. максимальная ошибка по одной координате не превосходит 1/2 шага матрицы), чем она меньше, тем корреляция между изображениями больше, а значит, точность расчета рассовмещения изображений максимальна.

В блоке преобразования координат и расчета параметров движения производится интегрирование вычисляемых рассовмещений по координатам X, Y, β. При этом для правильного расчета Х и Y производится пересчет оценок перемещений в первоначальную систему координат (Х=0, Y=0, β=0 - в начале измерений) с учетом текущего азимута объекта. Результирующие навигационные параметры выдаются на индикаторное устройство.

Изобретение с предлагаемыми устройствами ввода и корреляционной обработки изображений по сравнению с известным измерителем скорости обеспечит расширение диапазона измеряемых скоростей, ввод возможности измерения перемещений объекта в произвольном горизонтальном направлении, в том числе при развороте, непостоянном, медленном или возвратном движении.

Литература
1. Нуждин В.М,, Чукин Л.Ф. "Системы навигации ЛА по геофизическим полям Земли " - М., Изд-во МАИ, 1992 г., с.13-14.

2. Патент США 4162509, МКИ G 01 Р 3/36. Публикация 24 июля 1979 г., т. 984 4.

3. Авторское свидетельство СССР 466453, G 01 Р 3/64 "Корреляционный измеритель скорости" (Авт. Ржевкин В.А. Леднев А.Д.)

Измеритель предназначен для определения направления, скорости и пройденного пути движущегося объекта и может быть использован, например, для измерения скорости проката и для навигации летательных аппаратов. Измеритель содержит одно устройство ввода изображения и три ЗУ хранения изображений. Расчет параметров движения осуществляется корреляционным алгоритмом, причем в качестве опорного изображения выступает изображение, снятое в одном из предыдущих циклов работы. Для повышения точности интегрируемых оценок координат используется блок аппроксимации корреляционных функций. Обеспечивается расширение диапазона измерения, возможность измерения перемещений объекта в произвольном горизонтальном направлении, в том числе при развороте, непостоянном медленном или возвратном движении. 1 ил.

Бесконтактный измеритель вектора скорости, содержащий устройство ввода изображения, первое ЗУ изображения, вход которого подключен к выходу устройства ввода изображения, второе ЗУ изображения, коррелятор изображений, два входа которого подключены к выходам первого и второго ЗУ изображений, индикаторное устройство, отличающийся тем, что он снабжен третьим ЗУ изображения, блоком аппроксимации корреляционных функций, блоком преобразования координат и расчета параметров движения, блоком решения о смене опорного изображения, причем выход коррелятора изображений подключен к блоку аппроксимации корреляционных функций, первый выход блока аппроксимации корреляционных функций подключен к блоку преобразования координат и расчета параметров движения, выход которого подключен к индикаторному устройству, второй выход первого ЗУ изображения подключен к третьему ЗУ изображения, входы блока решения о смене опорного изображения подключены к выходу третьего ЗУ изображения и ко второму выходу блока аппроксимации корреляционных функций, выходы блока решения о смене опорного изображения подключены к входу второго ЗУ изображения и к второму входу блока преобразования координат и расчета параметров движения.