СПОСОБ НАВИГАЦИИ БЕСПИЛОТНЫХ МОБИЛЬНЫХ СРЕДСТВ Российский патент 2020 года по МПК G01C21/26 G01C23/00 B64C39/02 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к способам навигации беспилотного мобильного средства, при котором располагают навигационные метки вдоль маршрута следования беспилотного мобильного средства, каждой присваивают ее координаты, передают с навигационных меток сигналы, которые получают посредством приемника беспилотного мобильного средства, и осуществляют позиционирование беспилотного мобильного средства на основании сигналов навигационных меток и данных набора датчиков беспилотного мобильного средства и может быть использована для организации навигации беспилотных летательных аппаратов и беспилотных транспортных средств.

В данном описании под беспилотным мобильным средством имеется в виду средства типа беспилотных летательных аппаратов и беспилотных транспортных средств, так как описанный принцип навигации касается любого из указанных средств.

Уровень техники.

Существует множество способов навигации беспилотного мобильного средства. Так из уровня техники известен способ навигации беспилотного мобильного средства, при котором располагают навигационные метки вдоль маршрута следования беспилотного мобильного средства, и каждой присваивают ее координаты, передают с навигационных меток сигналы, включающие в себя информацию об их местоположении с привязкой к топографии местности; получают посредством приемника беспилотного мобильного средства сигналы с навигационных меток; осуществляют позиционирование беспилотного мобильного средства на основании сигналов навигационных меток и данных набора датчиков беспилотного мобильного средства посредством устройства обработки данных.

Такой способ известен из уровня техники, см. патент РФ на изобретение № 2681278, опубликован 05.03.2019 года. Данный способ является наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату и выбран за прототип предлагаемого изобретения.

Недостатком этого прототипа является то, что он не может обеспечить достаточную точность навигации беспилотного мобильного средства вдоль автомобильных или железнодорожных трасс. Это связано с тем, что полет беспилотного мобильного средства вдоль автотрассы требует решения задачи прецизионной навигации – высокоточного – до 10 см - определения линейных координат относительно ограждений, причем в реальности это выполнить не всегда просто из-за вмешательства погодных факторов и ночных условий.

Раскрытие изобретения.

Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить способ навигации беспилотного мобильного средства, включающий следующие шаги, при которых располагают навигационные метки вдоль маршрута следования беспилотного мобильного средства, и каждой присваивают ее координаты, передают с навигационных меток сигналы, включающие в себя информацию об их местоположении с привязкой к топографии местности; получают посредством приемника беспилотного мобильного средства сигналы с навигационных меток; осуществляют позиционирование беспилотного мобильного средства на основании сигналов навигационных меток и данных набора датчиков беспилотного мобильного средства посредством устройства обработки данных, позволяющий, по меньшей мере, сгладить, как минимум, один из указанных выше недостатков, а именно обеспечить повышение точности навигации беспилотного мобильного средства вдоль автомобильных или железнодорожных трасс, что и является поставленной технической задачей настоящего изобретения.

Для достижения этой цели способ дополнительно содержит этапы, при которых:

• навигационные метки располагают вдоль автомобильных или железнодорожных трасс на опорах ограждения или опорах освещения с присвоением уникальных номеров,

• с беспилотного мобильного средства направляют запросный инфракрасный сигнал на по меньшей мере три навигационные метки, имеющие уникальные номера,

• навигационные метки принимают сигнал с беспилотного мобильного средства и через кодированный промежуток времени передают ответный инфракрасный сигнал,

• по изображению меток на фотоприемнике беспилотного мобильного средства, осуществляют позиционирование беспилотного мобильного средства, так как известны номера меток и их координаты.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность независимо от времени суток и состояния погоды осуществлять навигацию беспилотного мобильного средства с высокой точностью при минимальных затратах энергии, так как сигналы передаются в импульсном режиме и только теми тремя навигационными метками, которые оказались рядом с беспилотного мобильного средства.

Существует вариант изобретения, в котором навигационные метки принимают запросный сигнал с беспилотного мобильного средства с помощью фотоприемника, а направляют ответный сигнал с помощью лазерного излучателя. Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность конкретной реализации предложенного технического решения.

Существует кроме того и такой вариант изобретения, в котором беспилотное мобильное средство направляет запросный сигнал с помощью лазерного излучателя. Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность конкретной реализации предложенного технического решения.

Существует еще один возможный вариант изобретения, в котором с помощью лазерного излучателя беспилотного мобильного средства периодически посылают пару синхроимпульсов, обеспечивающих одновременное фотоэкспонирование навигационных импульсов. Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность повышение точности навигации.

Существует вариант изобретения, в котором в качестве фотоприемника беспилотного мобильного средства используют цифровую фотокамеру, которую установливают на беспилотном мобильном средстве таким образом, чтобы продольная ось беспилотного мобильного средства, совпала с ее оптической осью, а нормальная и поперечные оси беспилотного мобильного средства совпали с осями симметрии фотоматрицы фотокамеры. Благодаря данным выгодным характеристикам также появляется возможность конкретной реализации предложенного технического решения.

Существует вариант изобретения, в котором цифровую фотокамеру беспилотного мобильного средства устанавливают на гиростабилизированной платформе. Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность фиксации плоскости цифровой фотокамеры беспилотного мобильного средства в одном положении относительно земли.

Совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения неизвестна из уровня техники для способов аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения в отношении способа. Неочевидность решения говорит о неочевидности решения для специалиста в данной области техники и, таким образом, о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень».

Краткое описание чертежей.

Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:

- Фигура 1 показывает, как навигационные метки располагают на отдельно стоящих опорах или на ограждении вдоль трассы, согласно изобретению;

- фигура 2 показывает структуру системы информационного обмена ИК-сигналами между беспилотными мобильными средствами и навигационными метками, согласно изобретению;

- фигура 3 показывает оптическую схему измерений посредством фотокамеры, согласно изобретению,

- фигура 4 показывает этапы способа навигации беспилотного мобильного средства, согласно изобретению.

На фигурах обозначено:

1 – навигационная метка;

2 – беспилотное мобильное средство;

3 – автомобильная или железнодорожная трасса;

4 – цифровой вычислитель навигационной метки;

5 – фотоприемник навигационной метки;

6 – лазерный излучатель навигационной метки;

7 – лазерный излучатель беспилотного мобильного средства;

8 – цифровая фотокамера беспилотного мобильного средства;

9 – цифровой вычислитель беспилотного мобильного средства;

10 – блок автоматического управления беспилотного мобильного средства;

11 – фотоматрица цифровой фотокамеры беспилотного мобильного средства;

12 – фотообъектив беспилотного мобильного средства.

Осуществление изобретения.

Способ навигации беспилотного мобильного средства осуществляют следующим образом. Приведем наиболее исчерпывающий пример реализации изобретения. Имея в виду, что данный пример не ограничивает применения изобретения.

Этап А1. Располагают навигационные метки вдоль маршрута следования беспилотного мобильного средства, и каждой присваивают ее координаты,

Этап А2. Савигационные метки располагают вдоль автомобильных или железнодорожных трасс на опорах ограждения или опорах освещения с последовательным возрастанием номеров,

Этап А3. С беспилотного мобильного средства направляют запросный инфракрасный сигнал на по меньшей мере три навигационные метки, имеющие уникальные номера,

Этап А4. Навигационные метки принимают сигнал с беспилотного мобильного средства и через кодированный промежуток времени передают ответный инфракрасный сигнал,

Этап А5. По изображению меток на фотоприемнике беспилотного мобильного средства, осуществляют позиционирование беспилотного мобильного средства, так как известны номера меток и их координаты.

Этап А6. Навигационные метки принимают запросный сигнал с беспилотного мобильного средства с помощью фотоприемника, а направляют ответный сигнал с помощью лазерного излучателя.

Этап А7. Осуществляют позиционирование беспилотного мобильного средства на основании сигналов навигационных меток и данных набора датчиков беспилотного мобильного средства посредством устройства обработки данных.

Рассмотрим более подробно алгоритм решения этой задачи с использованием бортовой монокулярной системы технического зрения, функционирующей в диапазоне 1,55 мкм. Для повышения надежности функционирования системы в сложных метеоусловиях используем активные навигационные метки 1, имеющие мощность Pизл. имп ~ 1 Вт, установленные вдоль «коридора», как показано на фигуре 1.

Навигационные метки 1 располагают на отдельно стоящих опорах или на ограждении.

Навигационно-кодовые метки 1 излучают импульсный сигнал в режиме запрос-ответ, что обеспечивает высокую энергетическую эффективность, помехоустойчивость и скрытность системы, а также безопасность для людей, обеспечивающих полеты. Метки вдоль «коридора» устанавливаются последовательно с возрастанием номеров (кодов).

На фигуре 2 изображена структура системы информационного обмена ИК-сигналами между беспилотного мобильного средства и навигационными метками.

Система информационного обмена ИК-сигналами работает по кодированному запросу беспилотного мобильного средства, который принимается фотоприемником 5 навигационной метки и через кодированный промежуток формируется ответ навигационной метки, принимаемый фотокамерой 8 беспилотного мобильного средства. В момент посадки лазерный излучатель 7 беспилотного мобильного средства периодически посылает пары синхроимпульсов, обеспечивающие одновременное фото-экспонирование навигационных импульсов, а также группу импульсов запроса, содержащую кодированную информацию о трех номерах меток, которые отвечают посылкой навигационных импульсов. (на фигуре 1 обведены пунктиром). В результате такой синхронизации по мере движения беспилотного мобильного средства и изображений меток по фотоматрице 11, всегда запрашиваются именно те три метки, которые находятся в поле зрения фотокамеры. По координатам изображений этих меток вычисляются координаты беспилотного мобильного средства относительно «коридора».

Измерение положения беспилотного мобильного средства относительно ВПП (в системе координат ОXYZ) осуществляется посредством цифровой фотокамеры, показанной на фигуре 3.

На фигуре 3 также показано:

O`X`Y`Z`– связанная с беспилотным мобильным средством система координат

(O`X` – продольная ось, совпадает с оптической осью цифровой фотокамеры, O`Y` – нормальная ось, O`Z` – поперечная ось, причем фотокамера установлена на беспилотном мобильном средстве таким образом, чтобы продольная ось беспилотного мобильного средства, совпала с ее оптической осью, а нормальная и поперечные оси беспилотного мобильного средства совпали с осями симметрии фотоматрицы 11);

ОXYZ – нормальная система координат, связанная с «коридором»

(OX – ось симметрии «коридора», OY - вертикальная ось, OZ – образует правую систему координат);

О1 – оптический центр фотообъектива;

Мi, Мi+1, Мi+2 – центры навигационных меток 1;

Si (y’,z’) – изображения меток с координатами (y’,z’) на фотоматрице беспилотного мобильного средства 11.

Задача определения линейных и угловых координат подвижного объекта 2 решается путем использования необходимого числа стационарных оптических навигационных меток 1, установленных вдоль «коридора», координаты которых на земной поверхности известны, а положение подвижного объекта относительно меток определяется посредством монокулярной гиростабилизированной фотокамеры, связанной с цифровым вычислителем беспилотного мобильного средства 9. Все навигационные метки лежат в горизонтальной плоскости. Побочным результатом решения этой задачи является возможность измерения координат и габаритов препятствий на поверхности «коридора», а также ее локальных дефектов.

Экспериментальные исследования показали, что погрешности измерения линейных координат положения беспилотного мобильного средства данным способом не превышают 10 см.

Промышленная применимость.

Предлагаемый способ навигации беспилотного мобильного средства может быть осуществлен специалистом на практике и при осуществлении обеспечивают реализацию заявленного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.

В соответствии с предложенным изобретением многократно испробован на практике предлагаемый способ навигации беспилотного мобильного средства.

Экспериментальные исследования показали, что погрешности измерения линейных координат положения беспилотного мобильного средства данным способом не превышают 10 см.

Таким образом, в данном изобретении достигнута поставленная задача – повышение точности навигации беспилотного мобильного средства вдоль автомобильных или железнодорожных трасс

Итого, задачу определения местоположения беспилотного мобильного средства относительно «коридора ограждений» удалось решать без применяющихся в настоящее время затратных систем, использующих совокупность различных излучений: электромагнитного, видимого, инфракрасного, радиодиапазона, ультразвук и др.

Предлагаемое решение позволяет достичь высокую помехоустойчивость систем радионавигации, низкую метеоустойчивость оптических систем видимого диапазона, а также независимость от влияния времени суток.

Изобретение относится к способу навигации беспилотного мобильного средства. Для навигации беспилотного мобильного средства располагают навигационные метки вдоль маршрута следования беспилотного мобильного средства определенным образом и каждой присваивают ее координаты, передают с навигационных меток сигналы, включающие в себя информацию об их местоположении с привязкой к топографии местности, получают посредством приемника беспилотного мобильного средства сигналы с навигационных меток, осуществляют позиционирование беспилотного мобильного средства на основании сигналов навигационных меток и данных набора датчиков беспилотного мобильного средства посредством устройства обработки данных, с беспилотного мобильного средства направляют запросный инфракрасный сигнал на по меньшей мере три навигационные метки, навигационные метки принимают сигнал с беспилотного мобильного средства и через кодированный промежуток времени передают ответный инфракрасный сигнал, по изображению меток на фотоприемнике беспилотного мобильного средства осуществляют позиционирование беспилотного мобильного средства. Обеспечивается повышение точности навигации беспилотного мобильного средства вдоль автомобильных или железнодорожных трасс. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ навигации беспилотного мобильного средства, включающий следующие шаги:

- располагают навигационные метки вдоль маршрута следования беспилотного мобильного средства и каждой присваивают ее координаты,

- передают с навигационных меток сигналы, включающие в себя информацию об их местоположении с привязкой к топографии местности;

- получают посредством приемника беспилотного мобильного средства сигналы с навигационных меток;

- осуществляют позиционирование беспилотного мобильного средства на основании сигналов навигационных меток и данных набора датчиков беспилотного мобильного средства посредством устройства обработки данных,

отличающийся тем, что

- навигационные метки располагают вдоль автомобильных или железнодорожных трасс на опорах ограждения или опорах освещения с присвоением уникальных номеров,

- с беспилотного мобильного средства направляют запросный инфракрасный сигнал на по меньшей мере три навигационные метки, имеющие уникальные номера,

- навигационные метки принимают сигнал с беспилотного мобильного средства и через кодированный промежуток времени передают ответный инфракрасный сигнал,

- по изображению меток на фотоприемнике беспилотного мобильного средства осуществляют позиционирование беспилотного мобильного средства, так как известны номера меток и их координаты.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что навигационные метки принимают запросный сигнал с беспилотного мобильного средства с помощью фотоприемника, а направляют ответный сигнал с помощью лазерного излучателя.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что беспилотное мобильное средство направляет запросный сигнал с помощью лазерного излучателя.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что с помощью лазерного излучателя беспилотного мобильного средства периодически посылают пару синхроимпульсов, обеспечивающих одновременное фотоэкспонирование навигационных импульсов.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве фотоприемника беспилотного мобильного средства используют цифровую фотокамеру, которую устанавливают на беспилотном мобильном средстве таким образом, чтобы продольная ось беспилотного мобильного средства совпала с ее оптической осью, а нормальная и поперечные оси беспилотного мобильного средства совпали с осями симметрии фотоматрицы фотокамеры.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что цифровую фотокамеру беспилотного мобильного средства устанавливают на гиростабилизированной платформе.