[1]Настоящее изобретение относится к оптическим способам определения взаимного положения и взаимной ориентации объектов и замкнутым телевизионным системам, в которых сигнал не используется для широкого вещания.
[2]Способы определения взаимного положения и управления объектами в оптическом диапазоне имеют ряд преимуществ перед способами в радиодиапазоне.
[3]Например, более высокая точность, пространственная развязка при работе с группой объектов на одной длине волны, что дает возможность многократного использования одного и того же участка спектра.
[4]Областями применения таких способов и устройств являются как научная, так и прикладная (производственная, транспортная) деятельность.
[5]При определении взаимных координат объектов при монтажных операциях, операциях управления буксируемыми, стыкуемыми или перемещающимися в группе объектами успешно применяются способы и устройства, работающие в оптическом диапазоне.
[6]По мере перехода от решения задачи взаимной навигации для двух объектов к задаче управления группой объектов требования к точности и надежности упомянутых способов и устройств возрастают, и поэтому более широкое применение находят телевизионные способы и устройства, которые подразделяются на системы стереозрения и на системы с активными или пассивными маркерами и одной телевизионной камерой.
[7]Например, способ использования телевизионных камер для определения взаимного положения объектов в оптическом диапазоне посредством измерения углов, определяющих направление на оптические маркеры, установленные на наблюдаемых объектах, а при известной геометрии объекта (системы маркеров) - также расстояния до объекта и его ориентацию, предложенный в (Лопота А.В, Половко С.А., Степанов Д.Н., Торубаров А.А. Точное определение координат объектов по их телевизионным изображениям методом «встречных измерений». Труды XV Международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (ПУМСС-2013), 25-28 июня 2013 года, г. Самара, с. 251-259).
[8]К недостаткам этого способа относятся:
[9]- трудность определения взаимного положения и управления группой объектов;
[10]- снижение точности определения взаимного положения при взаимном рассогласовании осей ТВ камер, установленных на объектах;
[11]- зависимость точности измерения взаимной дальности от размеров проекции комплекта маркеров на фотоматрицу телевизионной камеры.
[12]Известен моностатический способ определения расстояния до объекта, его направления и скорости движения, описанный в патенте РФ №2340872 (опубл. 10.12.2008).
[13]Способ состоит в определении расстояния до объекта при помощи фотоприемника (телевизионной камеры), включает измерение размера изображения объекта в плоскости фотоприемника, имеющего перестраиваемую оптическую систему с двумя известными граничными фокусными расстояниями, и по двум полученным разномасштабным изображениям определяют расстояние до объекта.
[14]Направление и скорость движения объекта определяют путем сопоставления положения объекта на изображениях одного масштаба, полученных в текущем и предыдущем измерениях расстояния до объекта, выполненных через известный промежуток времени.
[15]К недостаткам известного способа относятся:
[16]- невозможность определения взаимного положения для управления группой перемещающихся объектов;
[17]- невозможность определить ориентацию объекта в пространстве по углам поворота;
[18]- снижение точности при относительно быстром перемещении объекта;
[19]- низкая точность при большой дальности, что обусловлено малыми размерами изображения объекта на фотоприемнике.
[20]Наиболее близким к заявляемому способу является способ определения взаимного положения объектов, описанный в патенте РФ №2468383 (опубл. 27.11.2012 г.), реализуемый с помощью измерительной системы, включающей установленный на первом объекте комплект оптических реперов, в который входят не менее трех излучателей, и установленный на другом объекте оптический измерительный комплект.
[21]Мощность излучения каждого реперного оптического излучателя модулируют на отличной от других частоте повторения, периодически вырабатывая одновременно на всех частотах временные метки.
[22]С помощью оптического измерительного комплекта определяют углы визирования каждого реперного оптического излучателя и разности между расстоянием до произвольно выбранного реперного излучателя и расстояниями до остальных реперных оптических излучателей, и по этим данным вычисляют параметры взаимного положения объектов.
[23]Таким образом, достигается однозначное определение параметров взаимного расположения и взаимной ориентации двух объектов, минимизация требуемого для обеспечения однозначности числа реперных оптических излучателей, обеспечение возможности проведения измерений в условиях солнечной засветки измерительного приемника и повышение точности измерений при возникновении переотражений сигналов реперных излучателей от объектов.
[24]Признаки настоящего изобретения, совпадающие с признаками прототипа:
[25]- измерительную систему строят из комплекта реперных оптических излучателей, который устанавливают на первом объекте, и измерительного комплекта, который устанавливают на втором объекте;
[26]- координаты реперных излучателей в системе координат первого объекта, положение и ориентация измерительного комплекта в системе координат второго объекта считают известными;
[27]- измерительный комплект измеряет углы визирования оптических реперов;
[28]- вычисление параметров взаимного положения (взаимной ориентации) объектов проводят с использованием результатов измерения углов визирования реперов и разности расстояний до реперов относительно друг друга.
[29]К недостаткам способа-прототипа относятся:
[30]- невозможность использования для определения взаимного положения и управления группой объектов с учетом траектории их движения;
[31]- низкая точность измерений при малых углах взаимного отклонения объектов по тангажу и рысканию, особенно при малом расстоянии между ними, по причине малости разности расстояний до реперов относительно друг друга;
[32]- трудность, а часто и невозможность использования в пространстве, ограниченном отражающими препятствиями, из-за наличия мешающих эхо-сигналов, вызванных излучателями реперов.
[33]Технический результат заявляемого способа направлен на:
[34]- определение взаимного положения и управление для группы объектов с учетом траектории их движения;
[35]- повышение точности определения взаимного положения перемещающихся объектов;
[36]- определение взаимного положения объектов как в открытом, так и ограниченном пространстве.
[37]Это достигается тем, что способ определения взаимного положения и управления для группы перемещающихся объектов с измерением углов визирования комплекта оптических реперов одного объекта измерительным комплектом другого объекта, причем координаты комплекта оптических реперов, их взаимное положение, а также координаты и положение измерительного комплекта каждого объекта в его системе координат известны, ОТЛИЧАЕТСЯ ТЕМ, что упомянутые комплекты располагают на каждом объекте группы, устанавливая между ними отношение «ведущий» - «ведомый», осуществляют измерительными комплектами «ведомых» измерение углов визирования максимумов диаграмм суммарного излучения комплекта оптических реперов «ведущего», передают, модулируя излучение оптических реперов «ведущего», идентификационные номера «ведомых», их изображения и координаты мест в системе координат «ведущего», где должны находиться изображения «ведомых», установленные для конкретной группы, с учетом траектории ее перемещения и вычисляют параметры взаимного положения измерительным комплектом каждого «ведомого».
[38]При этом параметры положения «ведомого» в группе определяют вычисляя взаимную корреляционную функцию между реальным изображением «ведомого» и его виртуальным изображением, заданным в системе координат «ведущего» с учетом траектории перемещения группы.
[39]При этом «ведущий» передает «ведомым» параметры вектора скорости с учетом заданной траектории движения группы.
[40]Сущность заявленного способа определения взаимного положения и управления для группы перемещающихся объектов поясняется описанием примера его реализации и чертежами, на которых представлены:
[41]Фиг. 1 - функциональная схема устройства, реализующего способ;
[42]Фиг. 2 - вид проекций изображений комплектов оптических реперов «ведомых» на фотоприемную матрицу «ведущего» (формат матрицы 16:9);
[43]Фиг. 3 - вид сверху на положение в группе летящих «ведомых» объектов во главе с «ведущим»;
[44]Фиг. 4 - вид сбоку на положение в группе летящих «ведомых» объектов во главе с «ведущим».
[45]Схема устройства для определения взаимного положения и управления для группы перемещающихся объектов состоит (см. Фиг. 1) из двух одинаковых устройств, левое 1 расположено на объекте «ведущий», а правое 2 - на одном из «ведомых».
[46]Каждое устройство состоит из комплекта оптических реперов 3.1, 3.2, включающего модулятор 1.3, 2.3 точечных излучателей опорного потока, матрицы 1.5 и 2.5 излучателей информационного потока и модулятора 1.4, 2.4 матрицы. Измерительный комплект включает высокоскоростную дихроичную телевизионную камеру 1.1, 2.1, чувствительную к составляющим пространственно совмещенного потока, состоящего из информационного и опорного потоков. Выход камеры 1.1, 2.1 соединен с вычислительным устройством (1.2, 2.2), обрабатывающим сигнал телевизионной камеры и реализующим протокол связи между «ведущим» и «ведомыми» и вычисляющим параметры положения «ведомого» с передачей их в его систему управления.
[47]Угол поля зрения телевизионной камеры устройства «ведущего» выбирается так, чтобы видеть устройства всех «ведомых» в группе, а угол поля зрения телевизионных камер устройств «ведомых» выбран так, чтобы видеть только устройство «ведущего».
[48]Точечные излучатели (1.1, …, 1.k и 2.2, …, 2.k) излучают опорный (синхронизирующий) поток с длиной волны λ1, матрица излучает информационный поток с длиной волны λ2, причем коэффициент ослабления оптической средой излучения с длиной волны λ1 устанавливается большим, чем коэффициент ослабления излучения с длиной волны λ2.
[49]Так, например, для воздушной среды λ1 может быть выбрана в сине-зеленой области, а λ2 - в красной или ближней инфракрасной области.
[50]Для морской воды λ1 может лежать в зелено-оранжевой области, а λ2 - в сине-зеленой. В этом случае, если устанавливается устойчивый прием и дешифрация синхронизирующего потока на принимающей стороне можно считать, что качество приема информационного потока будет не хуже, а может быть и лучше.
[51]Это обстоятельство позволяет использовать для передачи информации изохронный режим, не содержащий во время передачи различных вставок, снижающих скорость передачи информации.
[52]На Фиг. 2 показан вид проекций реальных изображений комплектов оптических реперов ведомых (1, …, 6) на фотоприемную матрицу измерительного комплекта «ведущего» и места (1', …, 6'), на которых должны были бы располагаться эти изображения, в случае занятия «ведомыми» мест, установленных для них в группе при совместном перемещении.
[53]На Фиг 3 показан вид сверху этого же варианта взаимного расположения летательных аппаратов, например беспилотных (БПЛА), а на Фиг 4 - вид сбоку.
[54]Начальное (исходное) расположение «ведущего» и «ведомых» определяется их автономными системами навигации и управления, которые должны обеспечить их взаимную оптическую связь с учетом установленных углов поля зрения.
[55]После чего измерительные комплекты «ведомых» выполняют измерение углов визирования максимумов диаграммы суммарного излучения оптических реперов «ведущего». «Ведущий» передает, модулируя излучение своих опорных оптических реперов, каждому из «ведомых», их идентификационные номера, а также их изображение и координаты мест в системе координат «ведущего», где должны находиться изображения «ведомых», устанавливаемые для конкретной группы, с учетом траектории ее перемещения. Далее измерительные комплекты 4.1 и 4.2 «ведомых» на основе полученной информации вычисляют параметры своего положения в группе и передают их в свою систему навигации и управления с целью устранения имеющегося отклонения от их места, установленного в группе с учетом траектории ее движения.
[56]Таким образом, предлагаемый способ определения взаимного положения и управления для группы перемещающихся объектов обеспечивает:
[57]- определение взаимного положения объектов в системе с целью управления группой с учетом траектории ее движения;
[58]- повышение точности определения взаимного положения за счет использования экстремально-корреляционного метода анализа изображений измерительными комплектами «ведомых»;
[59]- независимость точности и помехоустойчивости получаемых результатов от переотраженных от границ оптического пространства сигналов реперных излучателей потому, что их пространственная структурированность при отражении или нарушается, или не попадает в поле зрения телевизионных камер измерительных комплектов объектов группы.
