СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ САМОЛЕТА-ЗАПРАВЩИКА И КОНУСА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК G01S5/08 

Изобретение относится к межсамолетной навигации и может быть использовано для осуществления автоматического контактирования на этапе дозаправки в воздухе путем определения пеленгов нескольких разнесенных источников излучения.

Известен способ определения ориентации подвижного объекта по координатам реперных источников (РИ), включающий определение сигналов, соответствующих положению изображения РИ в плоскости фотодетектора, определение углов пеленгов каждого РИ по полученным сигналам с учетом фокусного расстояния объектива и определение координат РИ по данным углов-пеленгов с учетом расстояния между точками [1].

Этот способ реализован в устройстве, содержащем реперные источники на подвижном объекте, а на неподвижном - два фотоприемных оптико-локационных блока (ОЛБ) и блок определения координат РИ и ориентации подвижного объекта [2].

Недостатком описанного аналога является применение прецизионного механического сканирования, наличие реперных источников с известным расположением на подвижном объекте.

Известны наиболее близкие к заявляемому изобретению способ и устройство локации источника излучения, описанные в патенте РФ №2275652, кл. G01S 5/16, опубл. 27.04.2006 г., и относящиеся к системам дистанционного определения ориентации подвижных объектов. Способ локации источников излучения основан на определении углов-пеленгов и координат реперных источников с помощью двух оптико-локационных блоков, каждый из которых содержит сканирующее зеркало, объектив и фотоприемник и по полученным значениям расстояния между точками отсчета углов-пеленгов ОЛБ определяют ориентацию источников излучения. Повышение точности измерения координат источников излучения достигается за счет учета изменения расстояния между оптико-локационными блоками.

Устройство локации источников излучения, реализующее этот способ, оснащено двумя оптико-локационными блоками, соединенными с блоком определения углов-пеленгов источников излучения, соединенным с блоком определения координат источников излучения, и блоком определения смещения точек отсчета углов-пеленгов, которые представляют собой вычислительные устройства, блок ввода и хранения данных расстояния между оптико-локационными блоками и сумматор.

Недостатком этих способа и устройства является недостаточная информативность и ограниченная точность отсчета координат, что не позволяет реализовать качественное управление заправляемым самолетом на этапе заправки в воздухе в автоматическом режиме.

Технической задачей изобретения является дистанционное измерение параметров пространственного и углового положения самолета-заправщика и конуса относительно заправляемого самолета для обеспечения автоматического управления заправляемым самолетом при осуществлении контактирования на этапе дозаправки самолета в воздухе.

Технический результат изобретения достигается тем, что в способе определения координат самолета-заправщика и конуса, включающем определение углов-пеленгов источников излучения, осуществляют программную обработку изображений, а именно определяют углы-пеленги шести их идентичных точек: двух, выбранных на законцовках крыльев самолета-заправщика, одной - на киле самолета-заправщика и трех - равноудаленных друг от друга точек на окружности основания конуса, на первой и второй фоточувствительных матрицах, вычисляют координаты идентичных точек относительно заправляемого самолета:

где:

- Y_i1, Z_i1, Y_i2, Z_i2 - координаты изображений точек С при (i=1), D при (i=2), E при (i=3), G при (i=4), H при (i=5), I при (i=6) на первой и второй фоточувствительных матрицах соответственно;

- P_ix, P_iy, P_iz - координаты точек С при (i=1), D при (i=2), E при (i=3), G при (i=4), H при (i=5), I при (i=6) в системе координат OXYZ;

- F - фокусное расстояние объектива, м;

- B - расстояние между первой и второй фоточувствительными матрицами, м,

вычисляют углы ориентации самолета-заправщика и конуса относительно заправляемого самолета

где a _j, b _j, c _j - углы разворотов при j=l системы O'X'Y'Z' относительно OXYZ в последовательности OX, OY, OZ соответственно, то есть углы ориентации самолета-заправщика относительно заправляемого самолета, а при j=2 системы O''X''Y''Z'' относительно OXYZ в последовательности OX, OY, OZ соответственно, то есть углы ориентации конуса относительно заправляемого самолета

C_x', C_y', C_z - координаты точки С в системе координат O'X'Y'Z';

D_x', D_y', D_z' - координаты точки D в системе координат O'X'Y'Z';

G_x'', G_y'', G_z'' - координаты точки G в системе координат O''X''Y''Z'';

Н_x'', H_y'', H_z'' - координаты точки Н в системе координат O''X''Y''Z'';

P_1x, P_1y, P_1z - координаты точки С в системе координат OXYZ;

Р_2х, Р_2y, Р_2z - координаты точки D в системе координат OXYZ;

P_4x, P_4y, P_4z - координаты точки G в системе координат OXYZ;

P_5x, P_5y, P_5z - координаты точки Н в системе координат OXYZ, вычисляют координаты положения самолета-заправщика и конуса относительно заправляемого самолета.

где X₀, Y₀, Z₀ - координаты самолета-заправщика относительно заправляемого самолета, а X_0K, Y_0K, Z_0K - координаты конуса относительно заправляемого самолета, А' - матрица направляющих косинусов, имеющая следующий вид:

Заявляемый способ осуществляется при помощи устройства для определения координат самолета-заправщика и конуса, включающего два разнесенных оптико-локационных блока, содержащих фотообъектив и фоточувствительное устройство, расположенное в фокальной плоскости, и вычислитель, в котором фоточувствительное устройство представляет собой фоточувствительную матрицу, а вычислитель содержит модуль программной обработки изображений, модули вычисления углов ориентации самолета-заправщика и конуса, модули вычисления координат местоположения самолета-заправщика и конуса, при этом модуль программной обработки изображений, где определяют углы-пеленги идентичных точек, своим входом связан с выходами первой и второй фоточувствительных матриц, а своим выходом связан с входами модулей вычисления углов ориентации самолета-заправщика и конуса, где вычисляют корни системы нелинейных уравнений, выходы этих модулей, в свою очередь, связаны с входами модулей вычисления координат местоположения самолета-заправщика и конуса соответственно, где вычисляют координаты местоположения самолета-заправщика и конуса относительно заправляемого самолета.

На фиг.1 показано расположение трех идентичных точек на конусе и трех идентичных точек на самолете-заправщике. Система координат O'X'Y'Z', связанная с самолетом-заправщиком, система координат O''X''Y''Z'', связанная с конусом, а также система координат OXYZ, связанная с заправляемым самолетом, и разнесенные оптико-локационные блоки с их элементами, фотообъективом и фоточувствительной матрицей. Они установлены на заправляемом самолете. На фиг.2 - структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. На фиг.3 - система вспомогательных векторов для решения задачи о нахождении матрицы поворота вектора.

Способ определения координат самолета-заправщика и конуса реализуется следующим образом. Прямоугольная система координат OXYZ, связанная с заправляемым самолетом (фиг.1), ось ОХ - параллельна продольной оси самолета, ось OY - параллельна вертикальной оси, OZ - параллельна поперечной оси. Фоточувствительные матрицы, размещенные в фокальной плоскости своих объективов, находятся в плоскости координат OYZ, причем их центры лежат на оси OZ симметрично относительно начала координат О. Оптические оси обоих объективов параллельны оси ОХ и проходят через центры своих фоточувствительных матриц. Система координат O'X'Y'Z' связана с самолетом-заправщиком, где ось O'X' направлена по продольной оси самолета-заправщика, ось O'Y' направлена вверх по вертикальной оси самолета-заправщика, а ось O'Z' - поперечная ось самолета-заправщика. В этой системе координат рассматриваются три точки С, D, Е, связанные с окончаниями элементов конструкции планера заправляемого самолета, причем важно, чтобы эти точки не перекрывались другими элементами конструкции при выполнении этапа дозаправки. Система координат O''X''Y''Z'', связанная с конусом, где ось O''X'' направлена по продольной оси конуса, ось O''Y'' направлена вверх по вертикальной оси конуса, а ось O''Z'' - поперечная ось конуса. В этой системе координат рассматриваются три точки G, H, I, связанные с окружностью основания конуса, расположенные равноудаленно друг от друга.

Для перехода от системы координат OXYZ к O'X'Y'Z' используется соотношение:

для перехода от системы координат OXYZ к O''X''Y''Z'' используется соотношение

где X₀, Y₀, Z₀ - координаты точки О' в системе координат OXYZ;

X_0K, Y_0K, Z_0K - координаты точки О'' в системе координат OXYZ;

X, Y, Z - координаты произвольного вектора (точки) в системе координат OXYZ;

X', Y', Z' - координаты этого же произвольного вектора (точки) в системе координат O'X'Y'Z';

X'', Y'', Z'' - координаты этого же произвольного вектора (точки) в системе координат O''X''Y''Z''

где a ₂, b ₂, c ₂ - углы разворотов системы O''X''Y''Z'' относительно OXYZ в последовательности OX, OY, OZ соответственно.

Посредством двух фотоматриц, расположенных в фокальных плоскостях объективов, связанных с вычислителем, определяются координаты идентичных точек C, D, E, G, H, I, для этого используются следующие соотношения:

где:

- Y_i1, Z_i1, Y_i2, Z_i2 - координаты изображений точек С при (i=1), D при (i=2), E при (i=3), G при (i=4), H при (i=5), I при (i=6) на первой и второй фоточувствительных матрицах соответственно;

- P_ix, P_iy, P_iz - координаты точек C при (i=1), D при (i=2), E при (i=3), G при (i=4), H при (i=5), I при (i=6) в системе координат OXYZ;

- F - фокусное расстояние объектива, м;

- В - расстояние между первой и второй фоточувствительными матрицами, м,

Запишем вектора OC, OD, OE, OG, OH, OI

или в матричном виде

где C_X', C_Y', C_Z' - координаты точки С в системе координат O'X'Y'Z';

D_X', D_Y', D_Z' - координаты точки D в системе координат O'X'Y'Z';

Е_X', Е_Y', E_Z' - координаты точки Е в системе координат O'X'Y'Z';

G_X'', G_Y'', G_Z'' - координаты точки G в системе координат O''X''Y''Z'';

H_X'', H_Y'', H_Z'' - координаты точки H в системе координат O''X''Y''Z'';

I_X'', I_Y'', I_Z'' - координаты точки I в системе координат O''X''Y''Z''.

В выражениях (6) вычтем из первого равенства второе, получим

Матричное уравнение (8) представляет собой систему трех уравнений относительно трех неизвестных a ₁, b ₁, c ₁.

В выражениях (7) вычтем из первого равенства второе, получим

Матричное уравнение (9) представляет собой систему трех уравнений относительно трех неизвестных a ₂, b ₂, c ₂.

Решение этих уравнений может быть найдено одним из численных методов (например, методом простых итераций). Однако такой подход потребует значительных ресурсов ЭВМ при реализации этой задачи на борту ЛА в реальном масштабе времени, поэтому очень важно получить аналитическое решение систем уравнений (8) и (9), которое будет дано в процессе решения следующей задачи.

Задача о нахождении матрицы поворота вектора.

Пусть имеется два вектора единичной длины

Необходимо найти матрицу размерности 3×3, такую что

где коэффициент j определяет, для какой системы уравнений решается задача о нахождении матрицы поворота вектора, при j=l задача решается для уравнения (8), при j=2 задача решается для уравнения (9), - матрица направляющих косинусов (3) при j=l, (4) при j=2.

Изобразим векторы r_1j и r_2j и систему координат OXYZ на фиг.3.

Положение каждого вектора r_1j и r_2j определяется парой углов α_1j, β_1j и α_2j, β_2j. Координаты этих векторов выражаются следующим образом:

Умножим слева вектор r₁ на матрицу поворота вокруг оси OY на угол β_1j, получим

Из полученного выражения видно, что этот вектор лежит в плоскости OYZ и по-прежнему имеет длину, равную единице, то есть такое умножение эквивалентно повороту вектора на угол β_1j. Умножим теперь полученный вектор на матрицу поворота вокруг оси OX на угол -α_1j, получим

В результате двух последовательных поворотов исходного вектора r_1j мы получили единичный вектор, совпадающий с осью OZ. Если теперь полученный вектор повернуть на угол α_2j вокруг оси ОХ, а затем на угол - β_2j вокруг оси OY, то получим вектор r_2j.

Эти преобразования позволяют сделать вывод, что матрица поворота A, преобразующая произвольный вектор r_1j в вектор r_2j, представляет собой произведение четырех матриц

Выражения (21)…(23) с учетом обозначений (24) используют для практического вычисления углов a _j, b _j, c _j, а выражения (21)…(23) с учетом обозначений (25) используют для практического вычисления углов a ₂, b ₂, c ₂.

Тогда из уравнений (6) можно найти численные значения координат X₀, Y₀, Z₀, которые совместно с величинами a ₁, b ₁, c ₁ определяют положение самолета-заправщика относительно заправляемого самолета, а из уравнений (7) можно найти численные значения координат X_0K, Y_0K, Z_0K, которые совместно с величинами a ₂, b ₂, c ₂ определяют положение конуса относительно заправляемого самолета

Устройство определения координат местоположения самолета-заправщика и конуса содержит шесть светодиодов 1, которые являются идентичными точками при обработке изображений, три из них расположены на монолитной конструкции планера самолета-заправщика, а другие три расположены на окружности основания конуса, и используются для повышения точности определения идентичных точек, два оптико-локационных блока 4, 5, содержащих фотообъективы 7, 9 и фоточувствительные матрицы 8, 10, вычислитель 6, который состоит из модулей программной обработки изображений 11, вычисления углов ориентации самолета-заправщика и конуса относительно заправляемого самолета 12 и модулей вычисления координат самолета-заправщика и конуса относительно заправляемого самолета 13.

Устройство работает следующим образом.

Изображение, содержащее изображение самолета-заправщика и конуса, регистрируют оптико-локационными блоками 4 и 5 и с помощью фотообъективов 7 и 9 формируют на фоточувствительных матрицах 8 и 10 это изображение. Полученные изображения подают в модуль программной обработки изображений 11, где осуществляют поочередное сравнение величин R, G, B кодов пикселей фотоматрицы с их значениями, соответствующими изображению идентичных точек самолета-заправщика и конуса, затем определяют коды координат идентичных точек самолета-заправщика и конуса, которые используются в модуле вычисления углов ориентации самолета-заправщика и конуса 12. После чего угловые положения самолета-заправщика и конуса пересчитывают в координаты самолета-заправщика и конуса относительно заправляемого самолета в модуле вычисления координат самолета заправщика и конуса.

Указанное утверждение в отношении повышения точности определения перечисленных параметров достигается за счет использования прецизионных датчиков информации, автоматизации процессов съема и обработки информации.

Источники информации

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

2. Патент на изобретение GB №2002986 A, опубл. 28.02.1979.

Изобретение относится к межсамолетной навигации и может быть использовано для автоматизации дозаправки самолета в воздухе. Достигаемый технический результат изобретения - автоматическое управление заправляемым самолетом в процессе контактирования на этапе дозаправки в воздухе. Способ заключается в том, что при помощи устройства, включающего два разнесенных оптико-локационных блока, состоящих каждый из фотообъектива и фоточувствительной матрицы в его фокальной плоскости, расположенных на заправляемом самолете, и вычислителя, включающего в себя модуль программной обработки изображения, модуль вычисления углов ориентации самолета-заправщика и конуса и модуль вычисления координат самолета-заправщика и конуса, обрабатывают изображения и по координатам идентичных точек на фоточувствительных матрицах вычисляют координаты местоположения и углы ориентации самолета-заправщика и конуса относительно заправляемого самолета. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения координат самолета-заправщика и конуса, включающий определение углов-пеленгов источников излучения, отличающийся тем, что осуществляют программную обработку изображений, а именно на первой и второй светочувствительных матрицах определяют углы-пеленги шести идентичных точек С, D, Е, G, Н, I, представляющих собой светодиоды, - двух, выбранных на законцовках крыльев самолета-заправщика, одной - на киле самолета-заправщика и трех - равноудаленных друг от друга на окружности основания конуса, вычисляют координаты идентичных точек относительно заправляемого самолета:

где
Y_i1, Z_i1, Y_i2, Z_i2 - координаты изображений точек С при (i=1), D при (i=2), E при (i=3), G при (i=4), H при (i=5), I при (i=6) на первой и второй фоточувствительных матрицах соответственно;
P_ix, P_iy, P_iz - координаты точек С при (i=1), D при (i=2), E при (i=3), G при (i=4), H при (i=5), I при (i=6) в системе координат OXYZ;
F - фокусное расстояние объектива, м;
В - расстояние между первой и второй фоточувствительными матрицами, м,
вычисляют углы ориентации самолета-заправщика и конуса относительно заправляемого самолета


где a_j, b_j, c_j - углы разворотов при j=1 системы O'X'Y'Z' относительно OXYZ в последовательности OX, OY, OZ соответственно, то есть углы ориентации самолета-заправщика относительно заправляемого самолета, а при j=2 системы O"X"Y"Z" относительно OXYZ в последовательности ОХ, OY, OZ соответственно, то есть углы ориентации конуса относительно заправляемого самолета




C_x', C_y', C_z' - координаты точки С в системе координат O'X'Y'Z';
D_x', D_y', D_z' - координаты точки D в системе координат O'X'Y'Z';
G_x'', G_y'', G_z'' - координаты точки G в системе координат O''X''Y''Z'';
Н_x'', H_y'', H_z'' - координаты точки Н в системе координат O''X''Y''Z'';
;

P_1x, P_1y, P_1z - координаты точки C в системе координат OXYZ;
Р_2х, Р_2y, Р_2z - координаты точки D в системе координат OXYZ;
P_4x, P_4y, P_4z - координаты точки G в системе координат OXYZ;
P_5x, P_5y, P_5z - координаты точки H в системе координат OXYZ; вычисляют координаты положения самолета-заправщика и конуса относительно заправляемого самолета


где Х₀, Y₀, Z₀ - координаты самолета-заправщика относительно заправляемого самолета, а Х_0K, Y_0K, Z_0K - координаты конуса относительно заправляемого самолета, А' - матрица направляющих косинусов, имеющая следующий вид:

A'' - матрица направляющих косинусов, имеющая следующий вид:

2. Устройство для определения координат самолета-заправщика и конуса, включающее два разнесенных оптико-локационных блока, содержащих фотообъектив и фоточувствительное устройство, расположенное в фокальной плоскости, и вычислитель, отличающееся тем, что фоточувствительное устройство представляет собой фоточувствительную матрицу, а вычислитель содержит модуль программной обработки изображений, модуль вычисления углов ориентации самолета-заправщика и конуса, модуль вычисления координат местоположения самолета-заправщика и конуса, при этом модуль программной обработки изображений, где определяют углы-пеленги шести идентичных точек, представляющих собой светодиоды, двух, выбранных на законцовках крыльев самолета-заправщика, одной - на киле самолета-заправщика и трех раноудаленных друг от друга на окружности основания конуса, своими входами связан с выходами первой и второй фоточувствительных матриц, а своим выходом связан с входом модуля вычисления углов ориентации самолета-заправщика и конуса, в котором углы-пеленги шести идентичных точек используют для вычисления углов ориентации самолета-заправщика и конуса, выход модуля вычисления углов ориентации самолета-заправщика и конуса связан с входом модуля вычисления координат местоположения самолета-заправщика и конуса, где угловые положения самолета-заправщика и конуса пересчитывают в координаты местоположения самолета-заправщика и конуса относительно заправляемого самолета.