СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ МЕРЦАЮЩЕЙ ПОДВИЖНОЙ ТОЧКИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR FLICKERING MOVING POINT COORDINATE MEASUREMENT

Изобретение относится к навигации, а именно к системам определения положения объекта без использования отражения или вторичного излучения, и может быть использовано для систем прицеливания и коррекции инерциальных навигационных систем летательных аппаратов.
Известны оптические устройства дистанционного измерения координат подвижных относительно летательного аппарата (ЛА) объектов, содержащие размещаемые на ЛА оптико-локационные блоки (ОЛБ). Оптико-локационные блоки определяют направления на отдельные подвижные объекты, используя которые определяют координаты подвижных объектов. В ОЛБ широко используют двумерные анализаторы плоских изображений, например, на основе матричных фотодетекторов в сочетании с дальномерным устройством [1].
Известен способ определения положения контролируемого объекта или отдельных его точек в трехмерном пространстве, относящийся к системам технического зрения (СТ3). Способ основан на трехмерной локации точки с помощью трех или двух измерительных систем, оптические оси которых направлены вдоль осей ортогональной системы координат (X, Y, Z) и пересекаются в ее начале (фиг.3).
Используя, например, два ОЛБ с системами отсчета координат внутри каждого, можно определить координаты точки А путем решения следующей системы уравнений [1]:
xj
yj
j
где α - угловая координата точки А, отсчитанная от оси х в j-м ОЛБ; α - угловая координата точки А, отсчитанная от оси у в j-м ОЛБ; d - расстояние до начала координат от передней узловой точки фотообъектива j-го ОЛБ.
1
2
1
2
1
2
Известен наиболее близкий по технической сущности к изобретению способ, описанный в [1, 2], относящийся к системам дистанционного определения координат подвижных объектов - системам технического зрения. Способ определения положения контролируемого объекта или отдельных его точек в трехмерном пространстве основан на использовании стереоскопической схемы геометрического типа, состоящей из двух одинаковых фотообъективов O и O с параллельными оптическими осями, разнесенных на известное расстояние и двух матричных фотодетекторов. Главные точки объективов расположены на одной линии (линии базы), перпендикулярной к оптическим осям (фиг.4). Если выбрать начало координат О в середине линии базы длиной В, то, измеряя координаты изображений x и x произвольной точки А и их разность р=х-х, называемую линейным параллаксом, можно определить координату  точки А. Две другие координаты (на фиг.4 не показаны), определяются в соответствии с выражениями
1
2
где у=у-у - координата изображений точки по оси Y, перпендикулярной к плоскости чертежа; Z - ось системы координат, направленная от середины базы О к плоскости предметов.
Недостатком описанных аналога и прототипа является невозможность измерения координат объекта при исчезновении его изображения из поля зрения ОЛБ в результате мерцания и движения относительно земной поверхности.
Известно устройство для локации источника излучения, наиболее близкое к заявляемому изобретению, описанное в [2]. В устройстве дистанционного определения координат источников излучения два оптико-локационных блока соединены с вычислительным устройством, где определяются углы-пеленги источников излучения, определяются координаты источников излучения, при этом для повышения точности измерений учитываются смещения точек отсчета углов пеленгов, обусловленные наличием вспомогательных оптических компонентов (светофильтра, защитного стекла фотодетектора).
Недостатком описанного устройства является наличие вращающихся зеркальных сканирующих элементов для расширения поля зрения, что приводит к снижению точности измерений, увеличению габаритов, веса, стоимости и снижению надежности устройства.
Изобретение направлено на устранение недостатков прототипа. Техническим результатом изобретения является аналитическое определение (вычисление) координат мерцающей движущейся точки при исчезновении ее изображения из поля зрения ОЛБ по координатам трех идентичных точек на земной поверхности.
11υ,
11υ
21υ,
21υ
Сущность изобретения состоит в том, что в способе измерения координат мерцающей подвижной точки земной поверхности, основанном на трехмерной локации точки с помощью оптико-локационных блоков, измерение осуществляется в три момента времени, в первый и второй моменты времени, когда мерцающая точка видима, регистрируют изображения трех идентичных точек земной поверхности и мерцающей точки посредством двух оптико-локационных блоков, осуществляют обработку оцифрованных изображений земной поверхности, снимаемых с фотоматриц, определяют координаты Y Z,.Y Z, м, где первый индекс обозначает номер фотоматрицы, второй индекс σ=1,2 - номер момента времени, υ=1…4, для трех идентичных точек земной поверхности и мерцающей точки υ=4, находящихся в поле зрения оптико-локационных блоков, по которым вычисляют их координаты в системе координат, связанной с летательным аппаратом,
,
,
где F - фокусное расстояние первого и второго фотообъективов, м;
В - расстояние между фотоматрицами, м,
4
вычисляют координаты точки М в первый и второй моменты времени в системе координат X'Y'Z', связанной с земной поверхностью,
где
,
13υ
13υ
в третий момент времени, когда мерцающая точка невидима, регистрируют изображения трех идентичных точек земной поверхности посредством двух оптико-локационных блоков, осуществляют обработку оцифрованных изображений земной поверхности, снимаемых с фотоматриц, определяют координаты Y, Z,
23υ
23υ
Y, Z, где υ=1…3, трех идентичных точек земной поверхности, находящихся в поле зрения оптико-локационных блоков, по которым вычисляют их координаты в системе координат, связанной с летательным аппаратом,
,
4
находят координаты невидимой точки М в третий момент времени с учетом предположения о прямолинейном и равномерном ее движении относительно земли на интервале с первого по третий моменты времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом,
,
,
.
Заявляемый способ осуществляется при помощи устройства для измерения координат мерцающей подвижной точки земной поверхности, включающего два разнесенных оптико-локационных блока, содержащих каждый фотообъектив и фотоприемник, и вычислитель, включающий блок определения углов пеленгов источников излучения, блок определения координат источников излучения, для достижения технического результата оптико-локационные блоки включают каждый фотообъектив и фоточувствительную матрицу, а в цифровом вычислителе блок определения углов пеленгов источников излучения представляет собой модуль обработки оцифрованных изображений земной поверхности, дополнительно обеспечивающий поиск идентичных и мерцающей точек, блок определения координат источников излучения представляет собой модуль вычисления в системе координат, связанной с летательным аппаратом, дополнительно обеспечивающий вычисление координат идентичных и мерцающей точек, модуль вычисления в системе координат, связанной с земной поверхностью, модуль вычисления координат мерцающей точки, при этом модуль обработки оцифрованных изображений земной поверхности, в котором определяют координаты изображений трех идентичных и мерцающей точек на фотоматрицах, своим первым и вторым входами связан с фотоматрицей первого и фотоматрицей второго оптико-локационных блоков, на которых с помощью фотообъектива первого и второго оптико-локационных блоков формируются изображения поверхности земли и определяются координаты на первой и второй фотоматрицах трех идентичных точек в три момента времени, определяются координаты мерцающей точки в два момента времени, а своим выходом связан с входом модуля вычисления в системе координат, связанной с летательным аппаратом, где вычисляются координаты трех идентичных точек в три момента времени и координаты мерцающей точки в два момента времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, выход модуля вычисления в системе координат, связанной с летательным аппаратом, связан с входом модуля вычисления координат в системе координат, связанной с земной поверхностью, где вычисляются координаты мерцающей точки в три момента времени в системе координат, связанной с земной поверхностью, а также первым входом модуля вычисления координат мерцающей точки, модуль вычисления координат в системе координат, связанной с земной поверхностью, где вычисляются координаты мерцающей точки в три момента времени в системе координат, связанной земной поверхностью, своим выходом связан с вторым входом модуля вычисления координат мерцающей точки, где вычисляются координаты мерцающей ненаблюдаемой точки в третий момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом.
Существенными отличительными признаками от прототипа по способу является следующая совокупность действий:
обработка оцифрованных изображений земной поверхности, снимаемых с фоточувствительных матриц, и определение координат на фоточувствительных матрицах трех идентичных и мерцающей точек в первый и второй моменты времени, а также определение координат трех идентичных точек в третий момент времени;
вычисление координат трех идентичных в первый, второй и третий моменты времени и координат, мерцающей наблюдаемой точки в первый и второй моменты времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом;
вычисление координат мерцающей точки в первый, второй и третий моменты времени в системе координат, связанной с землей;
вычисление координат подвижной, мерцающей, ненаблюдаемой точки в третий момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом.
По устройству - наличие следующих элементов:
модуля 8 обработки оцифрованных изображений земной поверхности;
модуля 9 вычисления в системе координат, связанной с летательным аппаратом;
модуля 10 вычисления в системе координат, связанной с землей;
модуля 11 вычисления координат мерцающей точки.
На фиг.1 изображено устройство для измерения координат движущейся по земной поверхности мерцающей точки.
На фиг.2 показана геометрическая связь между изображениями произвольной идентичной точки земной поверхности М на фотоматрицах, используемые при выводе выражений для координат X, Y, Z точки М, в системе координат, связанной с летательным аппаратом.
На фиг.3 приведена схема трехмерной локации точки с помощью трех или двух измерительных систем, оптические оси которых направлены вдоль осей ортогональной системы координат (аналог).
На фиг.4 изображена стереоскопическая схема геометрического типа (прототип).
Описание устройства для измерения координат объекта.
1
2
3
4
4
Два разнесенных оптико-локационных блока (фиг.1), в поле зрения которых попадает поверхность земли с тремя идентичными точками M, М, М не лежащими на одной прямой и мерцающей точкой М, координаты которой необходимо вычислить в третий момент времени, когда точка М не видна (например, закрыта туманом, дымом, тучей, тоннелем, другим наземным или воздушным объектом). Цифровой вычислитель 7, включающий в себя следующие модули:
модуль 8 обработки оцифрованных изображений земной поверхности;
модуль 9 вычисления в системе координат, связанной с летательным аппаратом;
модуль 10 вычисления в системе координат, связанной с земной поверхностью;
модуль 11 вычисления координат мерцающей точки.
Описание работы устройства для измерения координат объекта.
Посредством фотообъективов ОЛБ на фотоматрицах получают изображения земной поверхности.
1
2
3
4
Путем обработки оцифрованных изображений земной поверхности, формируемых на фотоматрицах ОЛБ, регистрируют координаты точек M, М, М, М. Эти действия осуществляются методами, описанными в [1], например, с использованием оконтуривания изображения и дальнейшего выделения в нем точек излома контура.
Рассмотрим процесс измерения координат объекта посредством двух разнесенных ОЛБ, оптические оси которых параллельны между собой (фиг.2). Прямоугольная система координат OXYZ связана с летательным аппаратом. Система координат
1
1
1
1
OYZ, начало которой совпадает с геометрическим центром фотоматрицы ФМ1 и фокусом фотообъектива, оптический центр которого находится в точке F. Система координат
2
2
2
2
ОYZ, начало которой совпадает с геометрическим центром фотоматрицы ФМ2 и фокусом фотообъектива, оптический центр которого находится в точке F. Произвольная идентичная точка земной поверхности находится в точке М. Центры фотоматриц расположены на оси OZ и равноудалены от начала координат О.
1
2
1
Изображения точки М на фотоматрицах ФМ1 и ФМ2 - точки S и S соответственно, строят в соответствии с законами геометрической оптики. Точки S и
2
1
2
1
1
1
2
2
2
S являются точками пересечения прямых MF и MF с плоскостями OYZ и OYZ (совпадают с плоскостью OYZ), в которых расположены фоточувствительные поверхности фотоматриц ФМ1 и ФМ2. Точка F расположена на оси ОХ, причем OF=F.
Точка R лежит на пересечении прямой MF с плоскостью OYZ. Точка N является проекцией точки М на плоскость OYZ.
1
2
1
1
1
1
2
2
2
2
Для определения координат точки М выражаются вектора SM и SM. Для этого используется подобие пар треугольников FSO, MSN и FSO, MSN:
, ,
х
1
2
1
1
2
2
1
1
2,
2
где М - проекция вектора SM либо SM на ось ОХ, равная MN; F=OF=OF - фокусное расстояние объектива телекамеры; i, j, k - единичные орты; Y, Z и Y Z - координаты изображений точки М на фотоматрицах ФМ1 и ФМ2 соответственно, определяемые в модуле обработки изображения земной поверхности.
4
Находим вектор RM
1
2
1
1
Из треугольника MSS выражается известное расстояние между фотоматрицами В, равное модулю вектора SS
.
1
4
2
4
Подставляя выражения для векторов SM и SM в последнее равенство, определяется
1
2
Отсюда выражается квадрат модуля вектора SS
и вычисляется координата х вектора RM
Остальные координаты вектора RM выражаются из соотношения (1)
Сопровождение мерцающей точки земной поверхности
1
2
3
4
Пусть посредством обработки изображений земной поверхности на фотоматрицах обоих ОЛБ находятся три идентичные точки M, М, М, не лежащие на одной прямой, а в их окрестности находится оптически контрастная точка М.
4
1
2
3
Рассмотрим геометрические соотношения, описывающие процесс измерения координат точки М при исчезновении ее на изображениях земной поверхности после первого и второго измерений по координатам идентичных точек M, M, М, измеренным в третий момент времени.
1
2
3
1
На фиг.1 показано расположение элементов ОЛБ, системы координат OXYZ, связанной с летательным аппаратом, системы координат X′Y′Z′, связанной с тремя точками M, М, М на земной поверхности (начало координат совпадает с точкой M, ось X′ - с прямой М1М2, ось Z′ - с нормалью к плоскости М1М2М3, ось Y′ - лежит в плоскости М1М2МЗ и образует правую систему координат).
σ1
σ2
σ3
σ4
4
Пусть в три последовательных момента (σ=1…3) времени с помощью СТЗ измеряются координаты точек М, М, М, М (точка М в третий момент времени невидима, поэтому ее координаты не измеряются) в системе координат, связанной с летательным аппаратом.
συ
Координаты точек М определим посредством соотношений (1), (2), (3)
,
где
λσυ
λσυ
συ
Y, Z - координаты изображения точки на первой и второй фотоматрицах, λ=1,2 - номер фотоматрицы, σ=1…3 - номер момента времени, υ=1…4 - номер точки М.
σ4
Необходимо определить координаты точки М в первый и второй моменты времени в системе координат, связанной с землей, считая ее координаты в системе координат, с летательным аппаратом, в первый и второй моменты времени известными.
4
4
1
2
3
4
Определим вектор СМ, образованный следом (точка С) точки М на плоскости М, М, М и самой точкой М.
1
2
3
Нормаль к плоскости, проходящей через точки M, M, М, найдем как векторное произведение векторов М1М2 и М2М3
4
Длина вектора СМ определяется как проекция вектора М1М4 на единичный  вектор нормали и выражается через скалярное произведение, причем это необходимо выполнить один раз, например в первый момент времени,
где
,
,
,
1x
1y
1z
N,N,N - координаты вектора нормали в первый момент времени. Выразим единичные орты системы координат X′Y′Z′ в момент времени с номером σ
4
σ
σ
σ
Координаты точки М в первый и второй моменты времени (σ=1,2) в системе X′Y′Z′ найдем как проекции вектора М1М4 на орты i′, j′, k′.
4
Найдем выражения для координат невидимой точки М в третий момент времени, при этом предполагаем, что ее движение является прямолинейным и равномерным на интервале с первого по третий моменты времени в системе координат, с поверхностью земли,
4
Координаты невидимой точки М в третий момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, найдем, суммируя вектор , измеренный в третий момент времени с вектором М1М4,
Проецируя этот вектор на орты системы координат, связанной с летательным аппаратом, в третий момент времени получим его координаты
Выпишем скалярные произведения ортов, необходимые для получения окончательного вида последних уравнений
, ,
Запишем в окончательном виде выражения (15)-(17) с учетом скалярных произведений ортов
Таким образом, решение задачи об определении координат мерцающей точки движущейся относительно земной поверхности основано на измерении координат трех идентичных точек земной поверхности в три момента времени и мерцающей точки в два момента времени относительно летательного аппарата, определении координат мерцающей точки относительно земной поверхности в три момента времени и вычислении на основе этих данных координат мерцающей точки в третий момент времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом.
Устройство для измерения координат мерцающей точки земной поверхности (фиг.2) содержит первый 3 и второй 6 оптико-локационные блоки, включающий каждый фотообъективы 1 и 4 и фоточувствительные матрицы 2 и 5 соответственно, цифровой вычислитель 7, включающий модуль 8 обработки оцифрованных изображений земной поверхности, модуль 9 вычисления в системе координат, связанной с летательным аппаратом, модуль 10 вычисления в системе координат, связанной с земной поверхностью, модуль 11 вычисления координат мерцающей точки.
Устройство работает следующим образом. Изображения земной поверхности в первый, второй и третий моменты времени проецируются фотообъективом 1 на фотоматрице 2 первого 3 оптико-локационного блока, а фотообъективом 4 на фотоматрице 5 второго 6 оптико-локационного блока. В модуле 8 обработки оцифрованных изображений земной поверхности осуществляется поиск и определяются координаты трех идентичных и мерцающей точек на фотоматрицах 2 и 4 в первый момент времени, которые поступают в модуль 9 вычисления в системе координат, связанной с летательным аппаратом, где определяются координаты трех идентичных и мерцающей точек в три момента времени, а координаты мерцающей точки в два момента времени в системе координат, связанной с летательным аппаратом, по результатам этих вычислений в модуле 10 вычисления в системе координат, связанной с земной поверхностью, определяются координаты мерцающей наблюдаемой точки в два момента времени в системе координат, связанной с земной поверхностью, и определяются ее координаты в третий момент времени с учетом предположения о равномерном, прямолинейном ее движении относительно земной поверхности. В модуле 11 вычисления координат, мерцающей точки вычисляются координаты мерцающей ненаблюдаемой точки в третий момент времени в системе координат , с летательным аппаратом.
Источники информации
1. Техническое зрение роботов. Под общ. ред. Ю.Г.Якушенкова. - М.: Машиностроение, 1990. - c.l68-176.
2. Патент РФ на изобретение № 2275652, кл. G01S/16, опубл. 10.06.2006, бюл. 34, 2007 (прототип).