СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ САМОЛЕТА-ЗАПРАВЩИКА И КОНУСА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING COORDINATES OF REFUELLING AIRCRAFT AND CONE AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

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:
i1
i1
i2
i2
- Y, Z, Y, Z - 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;
ix
iy
iz
- P, P, P - 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
a
b
c
j
j
j
где , ,  - 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
x'
y'
z
C, C, C - координаты точки С в системе координат O'X'Y'Z';
x'
y'
z'
D, D, D - координаты точки D в системе координат O'X'Y'Z';
x''
y''
z''
G, G, G - координаты точки G в системе координат O''X''Y''Z'';
x''
y''
z''
Н, H, H - координаты точки Н в системе координат O''X''Y''Z'';
1x
1y
1z
P, P, P - координаты точки С в системе координат OXYZ;
2х
2y
2z
Р, Р, Р - координаты точки D в системе координат OXYZ;
4x
4y
4z
P, P, P - координаты точки G в системе координат OXYZ;
5x
5y
5z
P, P, P - координаты точки Н в системе координат OXYZ, вычисляют координаты положения самолета-заправщика и конуса относительно заправляемого самолета.
0
0
0
0K
0K
0K
где X, Y, Z - координаты самолета-заправщика относительно заправляемого самолета, а X, Y, Z - 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
0
0
0
где X, Y, Z - координаты точки О' в системе координат OXYZ;
0K
0K
0K
X, Y, Z - 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''
a
b
c
2
2
2
где , ,  - 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:
i1
i1
i2
i2
- Y, Z, Y, Z - 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;
ix
iy
iz
- P, P, P - 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
X'
Y'
Z'
где C, C, C - координаты точки С в системе координат O'X'Y'Z';
X'
Y'
Z'
D, D, D - координаты точки D в системе координат O'X'Y'Z';
X'
Y'
Z'
Е, Е, E - координаты точки Е в системе координат O'X'Y'Z';
X''
Y''
Z''
G, G, G - координаты точки G в системе координат O''X''Y''Z'';
X''
Y''
Z''
H, H, H - координаты точки H в системе координат O''X''Y''Z'';
X''
Y''
Z''
I, I, I - координаты точки I в системе координат O''X''Y''Z''.
В выражениях (6) вычтем из первого равенства второе, получим
a
b
c
1
1
1
Матричное уравнение (8) представляет собой систему трех уравнений относительно трех неизвестных , , .
В выражениях (7) вычтем из первого равенства второе, получим
a
b
c
2
2
2
Матричное уравнение (9) представляет собой систему трех уравнений относительно трех неизвестных , , .
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.
1j
2j
Изобразим векторы r и r и систему координат OXYZ на фиг.3.
1j
2j
1j
1j
2j
2j
Положение каждого вектора r и r определяется парой углов α, β и α, β. Координаты этих векторов выражаются следующим образом:
1
1j
Умножим слева вектор r на матрицу поворота вокруг оси OY на угол β, получим
1j
1j
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. Умножим теперь полученный вектор на матрицу поворота вокруг оси OX на угол -α, получим
1j
2j
2j
2j
В результате двух последовательных поворотов исходного вектора r мы получили единичный вектор, совпадающий с осью OZ. Если теперь полученный вектор повернуть на угол α вокруг оси ОХ, а затем на угол - β вокруг оси OY, то получим вектор r.
1j
2j
Эти преобразования позволяют сделать вывод, что матрица поворота A, преобразующая произвольный вектор r в вектор r, представляет собой произведение четырех матриц
a
b
c
a
b
c
j
j
j
2
2
2
Выражения (21)…(23) с учетом обозначений (24) используют для практического вычисления углов , , , а выражения (21)…(23) с учетом обозначений (25) используют для практического вычисления углов , , .
0
0
0
1
1
1
0K
0K
0K
2
2
2
a
b
c
a
b
c
Тогда из уравнений (6) можно найти численные значения координат X, Y, Z, которые совместно с величинами , ,  определяют положение самолета-заправщика относительно заправляемого самолета, а из уравнений (7) можно найти численные значения координат X, Y, Z, которые совместно с величинами , ,  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.