Способ измерения углов крена и тангажа летательного аппарата
METHOD FOR MEASURING ROLL AND PITCH ANGLES OF AN AIRCRAFT

Изобретение относится к навигации и предназначено для использования в навигационной системе летательного аппарата.
Известен способ цифровой обработки изображений для определения пространственного положения летательного аппарата [1]. Способ определения углового положения летательного аппарата в пространстве, описанный в статье, заключается в построении двумерного спектра наблюдаемого изображения на основе двумерного преобразования Фурье.
Недостатком указанного способа является то, что для определения углов тангажа и крена беспилотного воздушного судна применяется дискретное преобразование Фурье без способов ускорения его вычислительной процедуры, что обеспечивает недостаточную для проведения вычислений и в реальном времени скорость получения результатов. Еще одним недостатком является отсутствие предварительной обработки изображений, формируемых бортовыми оптоэлектронными камерами, что увеличивает погрешность в определении углов крена и тангажа.
В качестве прототипа предполагаемого изобретения выбран способ цифровой обработки изображений для определения пространственного положения летательного аппарата, описанный в статье [2]. Согласно указанному способу, обеспечивается измерение величин углов крена и тангажа воздушного судна на основе анализа наблюдаемых бортовыми оптоэлектронными камерами изображений разной степени контрастности и яркости. Значения углов крена и тангажа определяются по величине углов поворота спектров наблюдаемых изображений с помощью дискретного преобразования Фурье относительно систем координат камер.
Недостатком прототипа является невозможность провести измерения в режиме реального времени, в связи с использованием только дискретного преобразования Фурье, что приводит к увеличению времени расчета. Другим недостатком является высокая погрешность в вычислении углов поворота спектра, так как преобразованию Фурье подвергается исходное изображение, наблюдаемое бортовой камерой, которое может быть разной яркости и контрастности.
Задачей, на решение которой направлено предполагаемое изобретение, является разработка способа измерения углов крена и тангажа летательного аппарата, позволяющего проводить точные измерения в режиме реального времени.
Технический результат изобретения заключается в повышении точности определения углов крена и тангажа летательного аппарата вне зависимости от значения яркости и контрастности наблюдаемых бортовыми камерами изображений, и снижении времени расчета.
Технический результат достигается за счет введения дополнительных этапов, на которых осуществляется обработка изображений, наблюдаемых бортовыми оптоэлектронными камерами, и спектров пространственных частот таких изображений, а также за счет использования алгоритма быстрого преобразования Фурье для вычисления пространственных спектров наблюдаемых изображений.
Сходства предлагаемого способа с прототипом заключаются в том, что последовательно вычисляют: пространственный спектр изображений, наблюдаемых бортовыми камерами, с помощью преобразования Фурье; на изображениях суммы амплитуд всех гармоник пространственного спектра по направлениям, соответствующим в локальной системе координат углам поворота, направление, по которому сумма амплитуд гармоник имеет максимальное значение; определяют углы крена и тангажа, соответствующие направлениям с максимальной суммой гармоник.
Отличия предлагаемого способа измерения углов крена и тангажа летательного аппарата от прототипа заключаются в следующем.
Во-первых, вычисляемый пространственный спектр рассчитывается по направлениям, соответствующим в локальной системе координат углам поворота в диапазоне от -45° до +45° с шагом, как минимум, в 1°.
Во-вторых, перед вычислением пространственных спектров изображений, наблюдаемых бортовыми камерами, с помощью преобразования Фурье, вводят дополнительные этапы предварительной обработки наблюдаемых бортовыми камерами изображений, на которых осуществляется:
1) медианная фильтрация наблюдаемых изображений,
2) линейная фильтрация наблюдаемых изображений в фильтрах нижних частот,
3) повышение контрастности наблюдаемых изображений,
4) преобразование наблюдаемых изображений в контурную форму.
В-третьих, в предлагаемый способ введены дополнительные этапы обработки спектров наблюдаемых изображений перед вычислением на изображениях спектров сумм амплитуд всех гармоник пространственного спектра, на которых осуществляется:
1) медианная фильтрация изображений спектров наблюдаемых изображений,
2) линейная фильтрация в фильтрах нижних частот изображений спектров наблюдаемых изображений,
3) повышение контрастности изображений спектров наблюдаемых изображений.
В-четвертых, для вычисления пространственных спектров наблюдаемых изображений применяется алгоритм быстрого преобразования Фурье, обеспечивающий реализацию вычислительной процедуры определения углов крена и тангажа в режиме реального времени.
Таким образом, предлагаемый способ измерения углов крена и тангажа летательного аппарата состоит из этапов, на которых: осуществляют медианную фильтрацию наблюдаемых бортовыми камерами изображений, линейную фильтрацию наблюдаемых изображений в фильтрах нижних частот, повышают контрастность наблюдаемых изображений, преобразуют наблюдаемые изображения в контурную форму, с помощью быстрого преобразования Фурье вычисляют пространственный спектр изображений, осуществляют медианную фильтрацию изображений спектров наблюдаемых изображений, выполняют линейную фильтрацию в фильтрах нижних частот изображений спектров наблюдаемых изображений, повышают контрастность изображений спектров наблюдаемых изображений, вычисляют на изображениях суммы амплитуд всех гармоник пространственного спектра по направлениям, соответствующим в локальной системе координат углам поворота, определяют направление, по которому сумма амплитуд гармоник имеет максимальное значение, определяют углы поворота спектра наблюдаемого изображения, соответствующие направлениям с максимальной суммой гармоник.
Причем вычисление сумм амплитуд всех гармоник пространственного спектра производят в двух взаимно перпендикулярных направлениях, соответствующих в локальной системе координат углам поворота в диапазоне от -45° до +45° с шагом, как минимум, в 1°, получая охват диапазона от 0° до 90° с шагом, как минимум, 1° в локальной системе координат.
Заключительным этапом способа является определение направлений, по которым сумма амплитуд гармоник на каждом изображении имеет максимальное значение. Таким направлениям соответствуют углы поворота спектра наблюдаемого изображения относительно систем координат бортовых оптоэлектронных камер, и, следовательно, углы крена и тангажа летательного аппарата.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведен пример работы двумерного медианного фильтра с рабочим окном 3×3.
На фиг. 2а, 2б и 2в приведены углы поворота объекта на рассматриваемом изображении с наклоном, соответственно в 0°, 45° и 60°.
На фиг. 3а приведен пример объекта на исходном изображении, на фиг. 3б приведен пример пространственного спектра объекта на обработанном изображении.
На фиг. 4 приведен результат вычислений, соответствующий углам поворота (крен/тангаж).
В соответствии с заявленным способом выполняются следующие этапы обработки наблюдаемых бортовыми камерами изображений.
Для понижения уровня шумов на наблюдаемом изображении используется фильтрация исходного изображения, основанная на порядковых статистиках. Для выполнения фильтрации на исходном изображении может быть выбран двумерный медианный фильтр, представляющий собой скользящее окно, охватывающее нечетное число элементов изображения (3×3, 5×5, 7×7). Центральный элемент заменяется медианой элементов изображения в окне. На фиг. 1 показан пример работы двумерного медианного фильтра с рабочим окном 3×3.
В результате работы фильтра «выброс», имеющий амплитуду 18, из массива чисел, описывающего обрабатываемое исходное изображение, был удален. При работе медианного фильтра в обработанном изображении сохраняется большая четкость контуров, поскольку фильтр такого типа на эти элементы изображения оказывает меньшее влияние, чем линейный цифровой фильтр низких частот (ФНЧ). Медианный фильтр, основанный на порядковой статистике, обеспечивает особенно эффективное подавление шума типа «соль» и «перец».
Для выполнения линейной фильтрации наблюдаемых бортовыми камерами изображений в фильтрах нижних частот применяется линейный цифровой фильтр с передаточной функцией:
Обработка в таком фильтре выполняется в соответствии со схемой, обеспечивающей нулевые фазовые искажения в обработанном изображении.
Линейный цифровой фильтр построен на основе скользящего горизонтального рабочего окна с размером 1×3 и коэффициентами (0,25; 0,5; 0,25) и вертикального рабочего окна с размером 3×1 и коэффициентами (0,25; 0,5; 0,25). Обработка в вертикальном направлении совпадает с обработкой в горизонтальном направлении (с той только разницей, что для вычисления используются элементы изображения, соседние в столбце, а не в строке, как при горизонтальной обработке).
Линейный цифровой фильтр обладает нулевой фазовой характеристикой при обработке изображения в следующей последовательности:
- проход горизонтального фильтрующего окна «слева направо» и «справа налево» (обратный проход обеспечивает отсутствие горизонтальных фазовых искажений в обработанном изображении);
- проход вертикального фильтрующего окна «сверху вниз» и «снизу вверх» (обратный проход обеспечивает отсутствие вертикальных фазовых искажений в обработанном изображении).
При таком методе фильтрации в обработанное изображение фазовые искажения не вносятся.
В соответствии с заявляемым способом повышение контрастности исходного изображения выполняется с целью выравнивания амплитудных характеристик спектра пространственных частот, формируемого из обрабатываемого изображения.
Изображение имеет максимальный контраст, когда его уровню «белого» соответствует значение 255, а уровню «черного» соответствует значение 0. Равномерное контрастирование выполняется в соответствии со следующими выражениями:
где:
- элемент массива элементов преобразованного изображения;
- элемент массива элементов исходного изображения;
min
max
Y и Y - предельные желаемые значения минимальной и максимальной яркости обрабатываемого изображения;
min
max
X и X - реальные значения минимальной и максимальной яркости исходного изображения.
Для расчета спектра используется быстрое преобразование Фурье. Для дискретного двумерного случая преобразование Фурье всегда существует и может быть выражено следующим равенством:
где f (х,у) - массив значений яркости текущего кадра изображения - функция двух переменных размерами M×N; х=0, 1, 2, …, М-1, y=0, 1, 2, …, N-1, u=0, 1, 2, …, М-1, v=0, 1, 2, …, N-1;
х и у - пространственные переменные или переменными изображения;
u и v - переменные преобразования или частотные переменные.
Данное выражение должно быть вычислено для всех u и v. При работе с изображениями частоты, из которых состоит спектр, принято называть пространственными частотами, численно характеризующими количество периодов повторения изменяющихся по синусоидальному закону значений яркости элементов изображения на единицу длины.
Вид и структура двумерного амплитудного пространственного спектра изображения позволяет выделить наличие вертикальных и горизонтальных границ и линий на изображении и дать общее представление об их пространственной ориентации. Как видно на фигуре 2, ориентация двумерного амплитудного пространственного спектра изображения характеризует в локальной системе координат направление границ и линий на исходном изображении.
Далее проводятся операции медианной фильтрации спектров наблюдаемых изображений, линейной фильтрации в фильтрах нижних частот изображений спектров наблюдаемых изображений и повышение контрастности изображений спектров наблюдаемых изображений.
В заключении выполняется операция определения углов крена и тангажа. Определения направления производят в двух взаимно перпендикулярных направлениях (фиг. 3а, 3б, 4), соответствующих в локальной системе координат углам поворота в диапазоне от -45° до 45° с шагом, как минимум, в 1°, что повышает точность определения углов поворота спектра.
Линии, соответствующие максимальной сумме амплитуд гармоник, формируют отклонение от вертикальной оси локальной системы координат.
Таким образом, использование дополнительных этапов, на которых осуществляется обработка изображений, наблюдаемых бортовыми оптоэлектронными камерами, и спектров пространственных частот таких изображений, позволяет вне зависимости от значения яркости и контрастности наблюдаемых бортовыми камерами изображений повысить точность определения углов крена и тангажа летательного аппарата, а также снизить время расчета за счет использования алгоритма быстрого преобразования Фурье для вычисления пространственных спектров наблюдаемых изображений.
Список источников:
[1] Макаренко А.А. Применение цифровой обработки изображений для определения пространственного положения летательного аппарата / А.А. Макаренко, Л.С. Турнецкий, А.Г. Карманов // Информация и космос.- 2013. - №1. - С. 30-34.
[2] Макаренко А.А. Алгоритмы цифровой обработки изображений в задачах визуальной навигации беспилотного воздушного судна / А.А. Макаренко, Л.А. Винокуров // Радиопромышленность. - 2020. - №3. - С. 75-85.