СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ МЕРЦАЮЩЕЙ ТОЧКИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК G01S11/12 

Изобретение относится к навигации, а именно к системам определения положения объекта без использования отражения или вторичного излучения, и может быть использовано для систем прицеливания и коррекции инерциальных навигационных систем летательных аппаратов,

Оптические устройства дистанционного измерения координат подвижных относительно летательного аппарата (ЛА) объектов содержат размещаемые на ЛА оптико-локационные блоки (ОЛБ). Оптико-локационные блоки определяют направления на отдельные подвижные объекты, используя которые определяют координаты подвижных объектов. В ОЛБ широко используются двумерные анализаторы плоских изображений, например, на основе матричных фотодетекторов в сочетании с дальномерным устройством [1].

Известен способ определения положения контролируемого объекта или отдельных его точек в трехмерном пространстве, относящийся к системам технического зрения (СТЗ). Способ основан на трехмерной локации точки с помощью трех или двух измерительных систем, оптические оси которых направлены вдоль осей ортогональной системы координат (X, Y, Z) и пересекаются в ее начале (фиг.3).

Используя, например, два ОЛБ с системами отсчета координат внутри каждого, можно определить координаты точки А путем решения следующей системы уравнений [1]:

х_А=α_х1(-d₁+α_x3d₃)/(1+α_х3α_х1), … СТЗ 1

у_А=α_х3(d₃+α_x1d₁)/(1+α_х3α_х1), … СТЗ 3

z_A=-α_у3(d₃+α_x1d₁)/(1+α_х3α_х1), … СТЗ 3

z_A=-α_у1(-d₁+α_x3d₃)/(1+α_х3α_х1), … СТЗ 1,

где α_xj - угловая координата точки А, отсчитанная от оси х в j-m ОЛБ; α_yj - угловая координата точки А, отсчитанная от оси у в j-м ОЛБ; d_j - расстояние до начала координат от передней узловой точки фотообъектива j-го ОЛБ.

Известен наиболее близкий к заявляемому изобретению способ, описанный в [1, 2], относящийся к системам дистанционного определения координат подвижных объектов - системам технического зрения. Способ определения положения контролируемого объекта или отдельных его точек в трехмерном пространстве основан на стереоскопической схеме геометрического типа, состоящей из двух одинаковых фотообъективов 0₁ и 0₂ с параллельными оптическими осями, разнесенных на известное расстояние. Главные точки фотообъективов (см. ГОСТ 7427-76) расположены на одной линии (линии базы), перпендикулярной к оптическим осям (фиг.4). Если выбрать начало координат О в середине линии базы длиной В, то, измеряя координаты изображений x₁ и x₂ произвольной точки А и их разность р=х₁-х₂, называемую линейным параллаксом, можно определить координату точки А. Две другие координаты на фиг.3 не показаны, определяются в соответствии с выражениями

; ,

где у=у₁-у₂ - координата изображений точки по оси Y, перпендикулярной к плоскости чертежа; Z - ось системы координат, направленная от середины базы О к плоскости предметов.

Недостатком описанного аналога и прототипа является невозможность измерения координат объекта при исчезновении его изображения в результате мерцания из поля зрения ОЛБ.

Известно устройство, наиболее близкое к заявляемому изобретению для локации источника излучения, описанное в [2]. В устройстве дистанционного определения координат источников излучения два оптико-локационных блока соединены с вычислительным устройством, где определяются углы-пеленги источников излучения, определяются координаты источников излучения, при этом для повышения точности измерений учитываются смещения точек отсчета углов пеленгов, обусловленные наличием вспомогательных оптических компонентов (светофильтра, защитного стекла фотодетектора).

Недостатком описанного устройства является наличие вращающихся зеркальных сканирующих элементов для расширения поля зрения, что приводит к снижению точности измерений и надежности устройства, увеличению габаритов и веса.

Технической задачей изобретения является аналитическое определение координат мерцающей точки при исчезновении ее изображения из поля зрения ОЛБ, по координатам трех идентичных точек на земной поверхности.

1. Сущность изобретения состоит в том, что в способе измерения координат мерцающей точки земной поверхности, основанном на трехмерной локации точки с помощью оптико-локационных блоков, измерение осуществляется в два момента времени, в первый момент времени, когда мерцающая точка видима, регистрируют изображения трех идентичных точек земной поверхности и мерцающей точки посредством двух оптико-локационных блоков, осуществляют программную обработку оцифрованных изображений, снимаемых с фоточувствительных матриц, определяют координаты Y_11υ, Z_11υ, Y_11υ, Z_21υ, м, где первый индекс обозначает номер фоточувствительной матрицы, второй индекс σ=1 - номер момента времени, υ=1…4, для первой M₁, второй М₂, третьей М₃ идентичных точек земной поверхности и мерцающей точки М₄ соответственно, находящихся в поле зрения оптико-локационных блоков, по которым вычисляют их координаты в системе координат, связанной с летательным аппаратом,

где F - фокусное расстояние первого и второго фотообъективов, м;

В - расстояние между фоточувствительными матрицами, м,

вычисляют координаты точки М₄ в системе координат X'Y'Z', связанной с земной поверхностью,

а вектор нормали и его координаты N_1x, N_1y, N_1z, N_2x, N_2y, N_2z определяются из соотношения i, j, k - единичные орты системы координат OXYZ, во второй момент времени, когда мерцающая точка невидима, регистрируют изображения трех идентичных точек земной поверхности посредством двух оптико-локационных блоков, осуществляют программную обработку оцифрованных изображений, снимаемых с фоточувствительных матриц, определяют координаты Y_12υ, Z_12υ, Y_22υ, Z_22υ, где υ=1…3, трех идентичных точек земной поверхности, находящихся в поле зрения оптико-локационных блоков, по которым вычисляют их координаты в системе координат, связанной с летательным аппаратом,

вычисляют координаты точки M₄ в системе координат XYZ, связанной с летательным аппаратом,

Заявляемый способ осуществляется при помощи устройства для измерения координат мерцающей точки земной поверхности, включающее два разнесенных оптико-локационных блока и вычислитель, включающий блок определения углов пеленгов источников излучения, блок определения координат источников излучения, оптико-локационные блоки включают каждый фотообъектив и фоточувствительную матрицу, а в цифровом вычислителе блок определения углов пеленгов источников излучения представляет собой модуль программной обработки изображений поверхности земли, дополнительно обеспечивающий поиск идентичных и мерцающей точек, блок определения координат источников излучения представляет собой модуль вычисления координат трех идентичных и мерцающей точек в первый момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, дополнительно обеспечивающий вычисление координат идентичных точек, модуль вычисления координат мерцающей точки в первый момент времени в системе координат, связанной с землей, модуль вычисления координат трех идентичных точек во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, модуль вычисления координат мерцающей точки во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, при этом модуль программной обработки изображений поверхности земли, в котором определяют координаты изображений трех идентичных и мерцающей точек на фоточувствительных матрицах, своим первым и вторым входами связан с фоточувствительной матрицей первого и фоточувствительной матрицей второго оптико-локационных блоков, на которых с помощью фотообъектива первого и второго оптико-локационных блоков формируются изображения поверхности земли и определяются координаты на первой и второй фоточувствительных матрицах трех идентичных и мерцающей точек в первый момент времени и определяются координаты на первой и второй фоточувствительных матрицах трех идентичных точек во второй момент времени, а своим выходом связан с входами модуля вычисления координат трех идентичных и мерцающей точек в первый момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, а также модуля вычисления координат трех идентичных во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, модуль вычисления координат трех идентичных и мерцающей точек в первый момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом своим выходом связан с первым входом модуля вычисления координат мерцающей точки во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, а модуль вычисления координат трех идентичных точек во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, своим выходом связан с вторым входом модуля вычисления координат мерцающей точки во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, где вычисляются координаты мерцающей точки во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом.

Существенными отличительными признаками от прототипа по способу является следующая совокупность действий:

программная обработка изображений, снимаемых с фоточувствительных матриц, и определение координат трех идентичных и мерцающей точек в первый момент времени, а также определение координат трех идентичных точек во второй момент времени;

вычисление координат трех идентичных и мерцающей точек в первый момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом;

вычисление координат мерцающей точки в первый момент времени в системе координат, связанной с землей;

вычисление координат трех идентичных точек во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом;

вычисление координат мерцающей точки во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом;

по устройству - наличие следующих элементов:

модуля программной обработки изображений поверхности земли;

модуля вычисления координат трех идентичных и мерцающей точек в первый момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом;

модуля вычисления координат мерцающей точки в первый момент времени в системе координат, связанной с землей;

модуля вычисления координат трех идентичных точек во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом;

модуля вычисления координат мерцающей точки во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом.

На фиг.1 изображено устройство для измерения координат мерцающей точки земной поверхности.

На фиг.2 показана геометрическая связь между изображениями идентичной точки объекта М на фоточувствительных матрицах и точки М, используемых при выводе выражений для координат X, Y, Z точки М.

На фиг.3 изображена схема трехмерной локации точки с помощью трех или двух измерительных систем, оптические оси которых направлены вдоль осей ортогональной системы координат (аналог).

На фиг.4 приведена стереоскопическая схема геометрического типа (прототип).

Описание устройства для измерения координат объекта

Два разнесенных оптико-локационных блока (фиг.1), в поле зрения которых попадает поверхность земли с тремя идентичными точками M₁, M₂, М₃ и мерцающей точкой М₄, координаты которой необходимо вычислить во второй момент времени, когда точка М₄ не видна (например, закрыта туманом, дымом, тучей, другим наземным или воздушным объектом). Цифровой вычислитель (7), физически выполненный на микропроцессоре, включает в себя следующие программные модули:

модуль (8) программной обработки изображений поверхности земли;

модуль (9) вычисления координат трех идентичных и мерцающей точек в первый момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом;

модуль (10) вычисления координат мерцающей точки в первый момент времени в системе координат, связанной с землей;

модуль (11) вычисления координат трех идентичных точек во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом;

модуль (12) вычисления координат мерцающей точки во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом.

Описание работы устройства для измерения координат объекта

Посредством фотообъективов ОЛБ на фоточувствительных матрицах получают изображения земной поверхности.

Путем программной обработки изображений земной поверхности, формируемых на фоточувствительных матрицах ОЛБ, регистрируют координаты точек M₁, М₂, М₃, М₄. Эти действия осуществляются методами, описанными в [1], например, с использованием оконтуривания изображения и дальнейшего выделения в нем точек излома контура.

Рассмотрим процесс измерения координат объекта посредством двух разнесенных ОЛБ, оптические оси которых параллельны между собой (фиг.2). Прямоугольная система координат OXYZ, связана с подвижным объектом. Система координат O₁Y₁Z_1, начало которой совпадает с геометрическим центром фоточувствительной матрицы ФМ1 и фокусом фотообъектива, оптический центр которого находится в точке F₁. Система координат O₂Y₂Z₂, начало которой совпадает с геометрическим центром фоточувствительной матрицы ФМ2 и фокусом фотообъектива, оптический центр которого находится в точке F₂. Идентичная точка препятствия находится в точке М. Центры фоточувствительных матриц расположены на оси OZ и равноудалены от начала координат О.

Изображения точки М на фоточувствительных матрицах ФМ1 и ФМ2 - точки S₁ и S₂ соответственно, строят в соответствии с законами геометрической оптики. Точки S₁ и S₂ являются точками пересечения прямых MF₁ и MF₂ с плоскостями O₁Y₁Z₁ и O₂Y₂Z₂, в которых расположены фоточувствительные поверхности фоточувствительных матриц ФМ1 и ФМ2. Точка F расположена на оси ОХ, причем OF=F. Точка R лежит на пересечении прямой MF с плоскостью OYZ. Точка N является проекцией точки М на плоскость OYZ.

Для определения координат точки М выражаются вектора S₁M и S₂M, для этого используется подобие пар треугольников F₁S₁O₁, MS₁N и F₂S₂O₂, MS₂N:

, ,

где M_x - проекция вектора S₁M либо S₂M на ось OX, равная MN; F=O₁F₁=O₂F₂ - фокусное расстояние фотообъектива ОЛБ; i, j, k - единичные орты системы координат OXYZ; Y₁,Z₁ и Y₂,Z₂, - координаты изображений точки М на фоточувствительных матрицах ФМ1 и ФМ2 соответственно, определяемые в модуле обработки изображения земной поверхности.

Находим вектор RM

Из треугольника MS₁S₂ выражается известное расстояние между фоточувствительными матрицами В, равное модулю вектора S₁S₂

S₁M-S₂M=S₁S₂.

Подставляя выражения для векторов S₁M и S₂M в последнее равенство, определяется

.

Отсюда выражается квадрат модуля вектора S₁S₂

и вычисляется координата х вектора RM

Остальные координаты вектора RM выражаются из соотношения (1)

Сопровождение мерцающей точки земной поверхности

Пусть посредством обработки изображений земной поверхности на фоточувствительных матрицах обоих ОЛБ находятся три идентичные точки M₁, М₂, М₃, не лежащие на одной прямой, а в их окрестности находится оптически контрастная точка М₄.

Рассмотрим геометрические соотношения, описывающие процесс измерения координат точки М₄ при исчезновении ее на изображениях земной поверхности после первого измерения по координатам идентичных точек M₁, М₂, М₃.

На фиг.1 показано расположение элементов ОЛБ, системы координат OXYZ, связанной с летательным аппаратом, системы координат X'Y'Z', связанной с тремя точками M₁, M₂, М₃ на земной поверхности (начало координат совпадает с точкой M₁, ось X' - с прямой M₁M₂, ось Z' - с нормалью к плоскости M₁M₂M₃, ось Y' лежит в плоскости M₁M₂M₃ и образует правую систему координат).

Пусть в два последовательных момента времени с помощью СТЗ измеряются координаты точек M₁, М₂, М₃. Необходимо определить координаты точки M₄ во второй момент времени, считая ее координаты в первый момент времени известными.

Координаты точек М_συ определим посредством соотношений (1), (2), (3)

где Y_λσυ, Z_λσυ - координаты изображения точки на первой и второй фоточувствительных матрицах, λ=1, 2 - номер фоточувствительной матрицы, σ=1…3 - номер момента времени, υ=1…4 - номер точки М_συ.

Определим вектор СМ₄, образованный следом (точка С) точки M₄ на плоскости M₁, M₂, М₃ и самой точкой М₄.

Вектор нормали (в σ момент времени) к плоскости M₁, М₂, М₃ найдем как векторное произведение векторов M₁M₂ и М₂М₃

Длина вектора СМ₄ определяется как проекция вектора М₁М₄ на единичный вектор нормали и выражается через скалярное произведение, причем это необходимо выполнить один раз, например в первый момент времени

где координаты вектора нормали в первый момент времени (σ=1) выражаются следующим образом:

Выразим единичные орты системы координат X'Y'Z' в момент времени с номером σ

Координаты точки М4 в первый и второй моменты времени (σ=1, 2) в системе X'Y'Z' найдем как проекции вектора M₁M₄ на орты , , .

Найдем выражения для единичных ортов системы координат X'Y'Z' во второй момент времени, которые определяются по формулам (6), (7), (8), но используются результаты измерений координат точек M₁, M₂, М₃ во второй момент времени. При этом длины векторов N₁ и M₁M₂ используются по результатам вычислений в первый момент времени, поскольку они неизменны

Суммируем с вектором M₁ вектор M₁M₄, при этом учтем, что его координаты в системе X'Y'Z' остались неизменными

.

Проецируя этот вектор на орты системы координат X'Y'Z' во второй момент времени, получим его координаты

Выпишем скалярные произведения ортов, необходимые для получения окончательного вида последних уравнений

Запишем в окончательном виде выражения (15)-(17) с учетом скалярных произведений ортов

Таким образом, решение задачи об определении координат неподвижной относительно земли мерцающей точки основано на измерении координат изображений трех идентичных и мерцающей точек земной поверхности в первый момент времени, определении координат мерцающей точки относительно земной поверхности, измерении координат изображений трех идентичных точек во второй момент времени и вычислении на основе этих измерений координат мерцающей точки во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом.

Устройство для измерения координат мерцающей точки земной поверхности (фиг.2) содержит первый (3) и второй (6) оптико-локационные блоки, включающие каждый фотообъективы (1) и (4) и фоточувствительные матрицы (2) и (5) соответственно, цифровой вычислитель (7), включающий модуль (8) программной обработки изображений поверхности земли, модуль (9) вычисления координат трех идентичных и мерцающей точек в первый момент времени в системе координат связанной с летательным аппаратом, модуль (10) вычисления координат мерцающей точки в первый момент времени в системе координат, связанной с землей, модуль (11) вычисления координат трех идентичных точек во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, модуль (12) вычисления координат мерцающей точки во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом,

Устройство работает следующим образом.

Изображения земной поверхности проецируются фотообъективом (1) на фоточувствительной матрице (2) первого (3) оптико-локационного блока, а фотообъективом (4) на фоточувствительной матрице (5) второго (6) оптико-локационного блока. В модуле (8) программной обработки изображений земной поверхности осуществляется поиск и определяются координаты трех идентичных и мерцающей точек на фоточувствительных матрицах (2) и (4) в первый момент времени, которые поступают в модуль (9) вычисления координат трех идентичных и мерцающей точек в первый момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, где определяются координаты мерцающей точки относительно земной поверхности в первый момент времени, а также в модуле (11) вычисления координат трех идентичных точек во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, определяются координаты трех наблюдаемых во второй момент времени идентичных точек в системе координат, связанной с летательным аппаратом. В модуле (10) вычисляются координаты мерцающей наблюдаемой точки в первый момент времени в системе координат, связанной с землей, которые используются для вычисления в модуле (12) координат ненаблюдаемой мерцающей точки во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом.

Источники информации

1. Техническое зрение роботов. Под общ. ред. Ю.Г.Якушенкова. - М.: Машиностроение, 1990, с.168-176.

2. Патент РФ на изобретение №2275652, кл. G01S /16, опубл. 10.06.2006 (прототип на устройство).

Изобретение относится к навигации и может быть использовано для систем прицеливания и коррекции инерциальных навигационных систем летательных аппаратов. Способ заключается в регистрации изображений земной поверхности посредством двух оптико-локационных блоков, программной обработке оцифрованных изображений в первый и второй моменты времени, снимаемых с фотоматриц для определения координат изображений трех идентичных и мерцающей точек, вычислении координат трех идентичных и мерцающей точек в первый момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, вычислении координат мерцающей точки в первый момент времени в системе координат, связанной с землей, вычислении координат трех идентичных точек во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, вычислении координат мерцающей точки во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом. Устройство, реализующее способ, содержит два разнесенных оптико-локационных блока и цифровой вычислитель, выполненный определенным образом. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения координат мерцающей точки земной поверхности, заключающийся в трехмерной локации точки с помощью оптико-локационных блоков, отличающийся тем, что измерение осуществляется в два момента времени, в первый момент времени, когда мерцающая точка видима, регистрируют изображения трех идентичных точек земной поверхности и мерцающей точки посредством двух оптико-локационных блоков, осуществляют программную обработку оцифрованных изображений, снимаемых с фоточувствительных матриц, определяют координаты Y_11υ, Z_11υ, Y_21υ, Z_21υ точек на фоточувствительных матрицах, м, где первый индекс обозначает номер фоточувствительной матрицы, второй индекс σ=1 - номер момента времени, υ=1…4, для первой M₁, второй М₂, третьей М₃ идентичных точек земной поверхности и мерцающей точки M₄ соответственно, находящихся в поле зрения оптико-локационных блоков, по которым вычисляют их координаты в системе координат, связанной с летательным аппаратом,
,
,
,
где F - фокусное расстояние первого и второго фотообъективов, м;
В - расстояние между фоточувствительными матрицами, м, вычисляют координаты точки М₄ в системе координат X'Y'Z', связанной с земной поверхностью,
,

,
, ,
а вектор нормали и его координаты N_1x, N_1y, N_1z, N_2x, N_2y, N_2z, определяются из соотношения , i, j, k - единичные орты,
во второй момент времени, когда мерцающая точка невидима, регистрируют изображения трех идентичных точек земной поверхности посредством двух оптико-локационных блоков, осуществляют программную обработку оцифрованных изображений, снимаемых с фоточувствительных матриц, определяют координаты Y_12υ Z_12υ, Y_22υ, Z_22υ, где υ=1…3, трех идентичных точек земной поверхности, находящихся в поле зрения оптико-локационных блоков, по которым вычисляют их координаты в системе координат, связанной с летательным аппаратом,
,
,
,
вычисляют координаты точки М4 в системе координат XYZ, связанной с летательным аппаратом,

,

2. Устройство для измерения координат мерцающей точки земной поверхности, включающее два разнесенных оптико-локационных блока и вычислитель, включающий блок определения углов пеленгов источников излучения, блок определения координат источников излучения, отличающееся тем, что оптико-локационные блоки включают каждый фотообъектив и фоточувствительную матрицу, а в цифровом вычислителе блок определения углов пеленгов источников излучения представляет собой модуль программной обработки изображений поверхности земли, дополнительно обеспечивающий поиск идентичных и мерцающей точек, блок определения координат источников излучения представляет собой модуль вычисления координат трех идентичных и мерцающей точек в первый момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, дополнительно обеспечивающий вычисление координат идентичных точек, модуль вычисления координат мерцающей точки в первый момент времени в системе координат, связанной с землей, модуль вычисления координат трех идентичных точек во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, модуль вычисления координат мерцающей точки во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, при этом модуль программной обработки изображений поверхности земли, в котором определяют координаты изображений трех идентичных и мерцающей точек на фоточувствительных матрицах, своим первым и вторым входами связан с фоточувствительной матрицей первого и фоточувствительной матрицей второго оптико-локационных блоков, на которых с помощью фотообъективов первого и второго оптико-локационных блоков формируются изображения поверхности земли, и определяются координаты на первой и второй фотоматрицах трех идентичных и мерцающей точек в первый момент времени и определяются координаты на первой и второй фоточувствительных матрицах трех идентичных точек во второй момент времени, а своим выходом связан с входами модуля вычисления координат трех идентичных и мерцающей точек в первый момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, а также модуля вычисления координат трех идентичных точек во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, модуль вычисления координат трех идентичных и мерцающей точек в первый момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, своим выходом связан с первым входом модуля вычисления координат мерцающей точки во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, а модуль вычисления координат трех идентичных точек во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, своим выходом связан с вторым входом модуля вычисления координат мерцающей точки во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, где вычисляются координаты мерцающей точки во второй момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом.