СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КООРДИНАТ ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА ИСПЫТАНИЙ В ВИДЕ ТЕЛА ВРАЩЕНИЯ С ИЗВЕСТНЫМИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ
METHOD OF DETERMINING SPATIAL COORDINATES OF MOVING TEST OBJECT IN FORM OF BODY OF REVOLUTION WITH KNOWN GEOMETRICAL PARAMETERS

Изобретение относится к способам определения пространственных координат (ПК) объекта испытаний (ОИ), основанным на оптической регистрации, а именно к схемам фиксации его положений при высокоскоростном метании на траектории его движения, и может быть использовано для определения ПК ОИ при исследованиях в области аэродинамики, баллистики и т.д.
Известен способ наблюдения объекта на фоне опорных точек (Лобанов А.Н. Фотограмметрия. - М.: 1984, стр.61-64). Этот способ основан на фотографировании цели на фоне опорных точек (например, звезд) с помощью оптического средства типа баллистической камеры. Перед фотографированием каждое оптическое средство горизонтируется и с помощью геодезических вех ориентируется относительно осей местной измерительной системы координат. По данным целеуказаний, каждое оптическое средство наводится на предполагаемый район появления объекта наблюдения. Фотографирование объекта выполняется, например, на фене звезд. Полученные результаты фоторегистрации после проявки дешифрируются.
Результаты дешифрирования и данные ориентации оптического средства относительно осей местной измерительной системы координат используются затем для идентификации (отождествления, опознания) звезд снимка с каталогом. Далее, используя картинные и каталожные координаты идентифицированных звезд, производят уточнение элементов ориентирования каждого снимка либо определение их постоянных. В итоге оказываются уточненными, в том числе и параметры ориентации каждого фоторегистрирующего средства. После указанных операций переходят к вычислению угловых координат объекта в функции времени (азимута, угла места). Выходными результатами фоторегистрации объекта на фоне звезд (опорных точек) с каждого оптического средства являются два параметра - азимут и угол места объекта, на основании которых определяют ПК объекта.
Основным недостатком данного способа является зависимость как процесса идентификации звезд снимка с каталогом, так и точности измерения угловых координат объекта от точности и достоверности оценок параметров ориентации каждого оптического средства относительно осей измерительной системы координат. Поэтому перед измерениями выполняются трудоемкие котировочные и геодезические работы.
Известен способ определения ПК движущихся объектов (объектов испытаний) (БСЭ, 1956 г., второе издание, том 45, стр.357-360), основанный на обобщенных уравнениях обратной двойной и прямой фотограмметрических засечек. Перед определением ПК (началом испытаний) в заданном сечении траектории движения объекта устанавливают фотокамеры. Для реализации данного метода требуется проводить синхронную съемку (регистрировать изображение) объекта с известного базиса двумя камерами. Должны быть известны координаты специальных марок на поверхности объекта до съемки. Кроме того, на каждом внутренне- и внешнеориентированном снимке вместе с изображениями объекта фотографируют наземные опорные репера геодезической привязки. Запускают объект, регистрируют его изображения, определяют его ПК путем дешифровки полученных изображений и решением обобщенных уравнений фотограмметрии. Данный способ выбран в качестве прототипа.
Недостатком данного способа является то, что для решения фотограмметрической засечки требуется точное знание элементов внутреннего и внешнего ориентирования двух снимков, трудоемкость процесса калибровки фотокамер на специальном стенде, наличие дополнительной маркировки самого ОИ; синхронная фоторегистрация ОИ на две камеры с открытыми затворами при отсутствии фоновой подсветки в темное время суток.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании способа определения ПК ОИ при его высокоскоростном движении.
Технический результат при использовании заявленного способа состоит в том, что определение ПК ОИ при его высокоскоростном движении осуществляется по результатам фоторегистрации, проводимой в любое время суток при наличии фоновой подсветки одной камерой без дополнительной маркировки ОИ и калибровки самой камеры на специальном стенде.
Данный технический результат достижим за счет того, что в заявляемом способе определения ПК движущегося ОИ в виде тела вращения с известными геометрическими параметрами (расположением центра масс на оси симметрии ОИ, длиной и диаметром одного из поперечных сечений), включающем установку перед началом испытаний в заданном сечении траектории движения ОИ фотокамеры, запуск ОИ, регистрацию изображения движущегося ОИ, определение его ПК путем дешифровки полученного изображения и решения обобщенных уравнений, в отличие от прототипа, перед началом испытаний в заданном сечении траектории движения ОИ устанавливают на одной оптической оси точечный источник света, полупрозрачный экран и за экраном относительно точечного источника света фотокамеру с затвором с электронно-оптическим преобразователем (ЭОП), определяют координаты центра источника света и трех точек экрана в заданной системе измерения, после запуска ОИ регистрируют изображение тени ОИ на экране, а определение ПК осуществляют путем дешифровки полученного изображения тени движущегося ОИ и решения обобщенных уравнений подобия.
За счет использования всей совокупности признаков заявляемого способа определение ПК ОИ при его высокоскоростном движении может быть произведено как в любое время суток, так и при наличии фоновой подсветки, вследствие применения камеры с затвором с ЭОП. В заявленном способе не требуется организовывать синхронную работу двух камер и проводить трудоемкую работу по маркировки ОИ и калибровки самой камеры на специальном стенде.
Способ определения ПК движущегося ОИ в виде теля вращения с известными геометрическими параметрами поясняется фигурой, на которой изображена схема, поясняющая заявляемый способ.
На фигуре изображена схема осуществления заявленного способа.
Перед началом испытаний устанавливают в заданном сечении траектории движения ОИ 2 с известными геометрическими размерами: расположением центра масс на оси симметрии ОИ, длиной и диаметром одного из поперечных сечений, устанавливают на одной оптической оси точечный источник света 1, полупрозрачный экран (матовый лавсан) 4 и за экраном относительно источника света 1 фотокамеру 5 с затвором с ЭОП, определяют координаты центра точечного источника света 1, три координаты реперных точек 6 полупрозрачного экрана 4. Данные величины измеряются в требуемой системе координат и являются исходными данными для начала расчета.
Запускают ОИ. После этого с помощью представленной на фигуре схемы фиксируют фотокамерой 5 изображение тени 3 движущегося ОИ на экране 4, построенной расходящимися лучами точечного источника света 1.
em3
em3
em3
em1
em1
em1
em2
em2
em2
em1
em1
em1
em2
em2
em2
i
i
i
1
2
3
2
2
2
em1
em1
em1
em2
em2
em2
1
1
1
2
2
2
Дешифровку полученного изображения производят следующим образом. На изображении тени ОИ определяют координаты носовой части ОИ точки (X, Y, Z) и координаты двух точек (X, Y, Z) и (X, Y, Z) в том месте, где имеется окружность в сечении, ортогональная продольной оси симметрии ОИ 2 (обычно это две точки донного среза ОИ). Вычисляют масштаб изображения тени 3, определяют две координаты трех указанных точек тени по известным координатам трех реперных точек 6 экрана 4, определенным перед началом испытаний, а третью, пространственную координату точек тени ОИ 3 определяют из уравнения плоскости экрана 4, коэффициенты которого определяют с помощью координат реперных точек 6. Так как, две крайние точки проекции донного сечения принадлежат окружности, то расстояние между ними будет равняться диаметру этой окружности. Исходя из этого, составляют обобщенную систему уравнений для определения координат двух точек (X, Y, Z) и (X, Y, Z) донного среза ОИ 2. Эта система состоит из уравнения плоскости, проходящей через две точки донного среза тени ОИ на экране 4 и точку (X, Y, Z) центра излучателя источника света 1, уравнения расстояния между точками донного среза ОИ, уравнения равенства расстояний от центра излучателя 1 до точки (X, Y, Z) донного среза ОИ и от центра излучателя до точки (X, Y, Z) донного среза ОИ, а также двух уравнений прямой, проходящей через центр излучателя и соответствующие точки (X, Y, Z) и (X, Y, Z) донного среза тени ОИ 2. Решением системы уравнений являются координаты двух крайних точек (X, Y, Z,) и (X, Y, Z) донного среза ОИ.
3
3
3
1
1
1
2
2
2
3
3
3
Для определения координат точки (X, Y, Z) носовой части ОИ 2 составляют систему уравнений: уравнение расстояния между носовой частью и центром донного среза ОИ, равного длине ОИ, уравнение равенства расстояний между крайними точками (X, Y, Z) и (X, Y, Z) донного среза и носовой части ОИ (равнобедренный треугольник) и уравнение прямой, проходящей через излучатель и точку тени носовой части ОИ. Решением данной системы уравнений является координаты точки (X, Y, Z) носовой части ОИ.
Центр масс находится на продольной оси симметрии и фактическое его положение определяется исходя из паспортных данных ОИ. Координаты центра масс ОИ вычисляются из решения системы уравнений: уравнения расстояния от носовой части до центра масс ОИ и уравнения прямой, проходящей через носовую часть и центр донного среза ОИ (продольная ось симметрии ОИ).
Таким образом, дешифрируют полученное изображение тени на полупрозрачном диффузионно-рассеивающем экране 4 движущегося с высотой скоростью ОИ и определяют ПК одной камерой без применения дополнительной маркировки ОИ, без калибровки на специальном стенде камеры, при наличии фоновой подсветки, сопровождающей высокоскоростное движение ОИ.