RU2758285C1 - Method for group video navigation of aircraft - Google Patents
Method for group video navigation of aircraft Download PDFInfo
- Publication number
- RU2758285C1 RU2758285C1 RU2021100336A RU2021100336A RU2758285C1 RU 2758285 C1 RU2758285 C1 RU 2758285C1 RU 2021100336 A RU2021100336 A RU 2021100336A RU 2021100336 A RU2021100336 A RU 2021100336A RU 2758285 C1 RU2758285 C1 RU 2758285C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- aircraft
- coordinates
- earth
- navigation
- images
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 7
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 24
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 19
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 238000002940 Newton-Raphson method Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C23/00—Combined instruments indicating more than one navigational value, e.g. for aircraft; Combined measuring devices for measuring two or more variables of movement, e.g. distance, speed or acceleration
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
- G01S13/06—Systems determining position data of a target
- G01S13/46—Indirect determination of position data
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к навигации и предназначено для счисления координат группы летательных аппаратов (ЛА). Может использоваться как для автономной навигации, так и для работы в комплексе с другими навигационными системами.The invention relates to navigation and is intended for reckoning the coordinates of a group of aircraft (AC). It can be used both for autonomous navigation and for work in conjunction with other navigation systems.
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 РИ.There is a known method for determining the orientation of a moving object according to the coordinates of reference sources (RI), including the determination of signals corresponding to the position of the RI image in the plane of the photodetector, determining the bearing angles of each RI using the received signals, taking into account the focal length of the lens and determining the coordinates of the RI according to the bearing angles, taking into account distance between RI.
Этот способ реализован в устройстве, содержащем реперные источники на подвижном объекте, а на неподвижном - два фотоприемных оптико-локационных блока и блок определения координат РИ и ориентации подвижного объекта, описанный в патенте на изобретение [Патент GB №2002986 А, опубл. 28.02.1979].This method is implemented in a device containing reference sources on a moving object, and on a stationary one - two photodetecting optical-location units and a unit for determining the coordinates of the RI and the orientation of the moving object, described in the patent for invention [GB Patent No. 2002986 A, publ. 02/28/1979].
Недостатком описанного аналога является использование реперных источников с известным расположением на подвижном объекте, что обеспечивает определение только ориентации подвижного объекта при неизвестном местоположении, то есть не может обеспечить навигацию объекта.The disadvantage of the described analogue is the use of reference sources with a known location on the moving object, which ensures that only the orientation of the moving object is determined at an unknown location, that is, it cannot provide navigation of the object.
Известен наиболее близкий к заявляемому изобретению способ видеонавигации подвижного объекта, основанный на последовательном фотоэкспонировании земной поверхности фотокамерами стереопары установленной на подвижном объекте, выделении на изображении каждой фотокамеры по меньшей мере трех особых точек земной поверхности, вычислении их координат в связанной системе координат, определении углового и линейного перемещения подвижного объекта относительно земной поверхности за временной интервал между двумя фотоэкспозициями, определении углового и линейного перемещения подвижного объекта за время движения и, определении текущих координат местоположения, описанный в патенте на изобретение RU №2626017, Опубл: 21.07.2017 [2].Known closest to the claimed invention is a method of video navigation of a mobile object, based on sequential photo exposure of the earth's surface by cameras of a stereo pair installed on a mobile object, highlighting at least three special points of the earth's surface on the image of each camera, calculating their coordinates in a related coordinate system, determining the angular and linear moving a moving object relative to the earth's surface during the time interval between two photo exposures, determining the angular and linear movement of the moving object during the movement and determining the current coordinates of the location, described in the patent for invention RU No. 2626017, Publ: 21.07.2017 [2].
Недостатком этого способа является невозможность его использования для решения задачи счисления координат посредством стереопары, установленной на малоразмерном беспилотном летательном аппарате поскольку для достижения высокой точности измерения требуется значительное расстояние между фотокамерами стереопары.The disadvantage of this method is the impossibility of using it to solve the problem of reckoning coordinates by means of a stereo pair installed on a small unmanned aerial vehicle, since a significant distance between the cameras of the stereo pair is required to achieve high measurement accuracy.
Технический результат изобретения достигается тем, что в способе видеонавигации подвижного объекта, основанном на фотоэкспонировании земной поверхности стереопарой, обработке ее оцифрованных изображений и вычислении координат местоположения подвижного объекта, регистрируют излучения трех лазерных меток с широкой диаграммой направленности, установленных на ведущем ЛА группы посредством бортовой фотокамеры ведомого ЛА, осуществляют обработку оцифрованного изображения лазерных меток, определяют координаты их изображений на фотоматрице, определяют линейные и угловые координаты взаимного расположения ведущего и ведомого летательных аппаратов, посредством видеокамер ведущего и ведомого выполняют фотоэкспонирование, стереоотождествление и определение координат изображений трех особых точек земной поверхности, не лежащих на одной прямой в моменты двух последовательных фотоэкспозиций фотокамер, вычисляют приращение линейных и угловых координат ведущего ЛА относительно земной поверхности за время между фотоэкспозициями и осредняют их для всех ЛА группы, вычисляют приращение линейных и угловых координат ведущего ЛА относительно земной поверхности за время полета, вычисляют местоположение ведущего ЛА с учетом его начальных координат.The technical result of the invention is achieved by the fact that in the method of video navigation of a mobile object, based on photo exposure of the earth's surface with a stereo pair, processing its digitized images and calculating the coordinates of the location of the moving object, the radiation of three laser marks with a wide directivity pattern is recorded, installed on the leading aircraft of the group by means of the onboard camera of the slave The aircraft carry out the processing of the digitized image of laser marks, determine the coordinates of their images on the photomatrix, determine the linear and angular coordinates of the relative position of the master and slave aircraft, use the video cameras of the master and slave to take photographic exposure, stereo identification and determine the coordinates of the images of three special points of the earth's surface that do not lie on one straight line at the moments of two successive photo exposures of cameras, the increment of the linear and angular coordinates of the leading aircraft relative to the earth's surface is calculated over time i between photo exposures and averaging them for all aircraft of the group, calculating the increment of the linear and angular coordinates of the leading aircraft relative to the earth's surface during the flight, calculating the position of the leading aircraft taking into account its initial coordinates.
Сущность изобретения заключается в том, фотоэкспонируют земную поверхность стереопарой, обрабатывают ее оцифрованные изображения и вычисляют координаты местоположения подвижного объекта, отличающийся тем, что регистрируют излучения трех лазерных меток с широкой диаграммой направленности, установленных на ведущем ЛА группы посредством бортовой фотокамеры ведомого ЛА, осуществляют обработку оцифрованного изображения лазерных меток, определяют координаты их изображений на фотоматрице, определяют линейные и угловые координаты взаимного расположения ведущего и ведомого летательных аппаратов, посредством видеокамер ведущего и ведомого выполняют фотоэкспонирование, стереоотождествление и определение координат изображений трех особых точек земной поверхности, не лежащих на одной прямой в моменты двух последовательных фотоэкспозиций фотокамер, вычисляют приращение линейных и угловых координат ведущего ЛА относительно земной поверхности за время между фотоэкспозициями и осредняют их для всех ЛА группы, вычисляют приращение линейных и угловых координат ведущего ЛА относительно земной поверхности за время полета, вычисляют местоположение ведущего ЛА с учетом его начальных координат.The essence of the invention lies in the fact that the earth's surface is photo-exposed with a stereo pair, its digitized images are processed and the coordinates of the location of the moving object are calculated, characterized in that the radiation of three laser marks with a wide directivity pattern, installed on the leading aircraft of the group by means of the on-board camera of the slave aircraft, is processed, and the digitized images of laser marks, determine the coordinates of their images on the photomatrix, determine the linear and angular coordinates of the relative position of the master and slave aircraft, photographic exposure, stereo identification and determination of the coordinates of the images of three special points of the earth's surface that do not lie on the same straight line at the moments two successive photo exposures of cameras, calculate the increment of the linear and angular coordinates of the leading aircraft relative to the earth's surface during the time between photo exposures and average them for all aircraft groups, calculate the increment of the linear and angular coordinates of the leading aircraft relative to the earth's surface during the flight, calculate the location of the leading aircraft, taking into account its initial coordinates.
Способ обеспечивает расширение возможностей применения групп малоразмерных беспилотных летательных аппаратов, каждый из которых оснащен только одной видеокамерой. При этом критически важным условием является возможность высокоточного определения их взаимного расположения. Рассмотрим задачу определения местоположения двух ЛА (ведущего и одного из ведомых группы), оснащенных монокулярными системами технического зрения и выполняющих полет строем, относительно земной поверхности.The method provides for expanding the possibilities of using groups of small-sized unmanned aerial vehicles, each of which is equipped with only one video camera. In this case, a critical condition is the ability to accurately determine their relative position. Consider the problem of determining the location of two aircraft (the leader and one of the wingmen of the group), equipped with monocular vision systems and flying in formation, relative to the earth's surface.
На фиг. 1 представлена оптическая схема счисления координат, где показано расположение трех лазерных ИК меток M1, М2 и М3 на ведущем ЛА1 и система координат O1X1Y1Z1 связанная с ним, а также система координат O2X2Y2Z2 связанная с ведомым ЛА2 и фотокамера с ее элементами, фотообъективом ФО2 и фоточувствительной матрицей ФМ2 с изображениями меток S1, S2 и S3 на ней, установленные на ведомом ЛА, в процессе определения угловой ориентации и местоположения ведущего ЛА относительно ведомого, Pn,m - n-я точка на земной поверхности (n=1…3) в момент m-й фотоэкспозиции, -S1n,m, S2n,m - изображения точки Pn,m на фотоматрицах ФМ1 и ФМ2, F1, F2 - оптические центры фотообъективов.FIG. 1 shows the optical diagram of the reckoning of coordinates, which shows the location of three laser IR marks M 1 , M 2 and M 3 on the master aircraft 1 and the coordinate system O 1 X 1 Y 1 Z 1 associated with it, as well as the coordinate system O 2 X 2 Y 2 Z 2 connected to the slave aircraft 2 and a camera with its elements, a photo lens FO 2 and a photosensitive matrix FM 2 with images of marks S 1 , S 2 and S 3 on it, installed on the slave aircraft, in the process of determining the angular orientation and location of the master aircraft relative to the slave, P n, m - the n-th point on the earth's surface (n = 1 ... 3) at the moment of the m-th photo exposure, -S1n, m, S2 n, m - images of the point P n, m on photomatrices FM1 and FM2 , F 1 , F 2 - optical centers of photo lenses.
На фиг. 2 изображена структура системы групповой видеонавигации, включающая две монокулярные системы технического зрения, расположенные на двух беспилотных летательных аппаратах, связанных информационно посредством системы межсамолетной навигации. Монокулярная система технического зрения ведущего и ведомого ЛА включает в себя следующие элементы: фотокамера (1, 2); цифровой вычислитель (3, 4); фотоприемник (5, 6); три лазерные ИК метки (M1, М2, М3 и М4, М5, М6).FIG. 2 shows the structure of a group video navigation system, which includes two monocular vision systems located on two unmanned aerial vehicles, informationally connected by means of an interplane navigation system. The monocular vision system of the master and slave aircraft includes the following elements: camera (1, 2); digital computer (3, 4); photodetector (5, 6); three laser IR tags (M 1 , M 2 , M 3 and M 4 , M 5 , M 6 ).
Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.
Прямоугольная система координат O2X2Y2Z2 связанная с ведомым ЛА (фиг. 1), ось О2Х2 - параллельна продольной оси ЛА, O2Z2 - параллельна поперечной оси, а ось O2Y2 дополняет их до правой системы координат. Фоточувствительная матрица ФМ2, размещенная в фокальной плоскости фотообъектива ФО, находится в плоскости координат O2Y2Z2. Оптическая ось фотообъектива О2Х2 параллельна продольной оси ЛА. Система координат O1X1Y1Z1 связана с ведущим ЛА, где ось O1X1 направлена по продольной оси ЛА, ось O1Z1 - поперечная ось ЛА, а ось O1Y1 дополняет их до правой системы координат. В этой системе координат рассматриваются три точки M1, М2, М3 (лазерные ИК-метки), связанные с окончаниями элементов конструкции, причем важно, чтобы эти точки не перекрывались другими элементами при любых взаимных положениях ЛА.Rectangular coordinate system O 2 X 2 Y 2 Z 2 associated with the driven aircraft (Fig. 1), the axis O 2 X 2 is parallel to the longitudinal axis of the aircraft, O 2 Z 2 is parallel to the transverse axis, and the O 2 Y 2 axis complements them to right coordinate system. Photosensitive matrix FM 2 , placed in the focal plane of the photo lens FO, is in the plane of coordinates O 2 Y 2 Z 2 . The optical axis of the photo lens O 2 X 2 is parallel to the longitudinal axis of the aircraft. The O 1 X 1 Y 1 Z 1 coordinate system is associated with the leading aircraft, where the O 1 X 1 axis is directed along the longitudinal aircraft axis, the O 1 Z 1 axis is the aircraft's transverse axis, and the O 1 Y 1 axis complements them to the right coordinate system. In this coordinate system, three points M 1 , M 2 , M 3 (laser IR marks) are considered, associated with the ends of structural elements, and it is important that these points do not overlap with other elements at any relative positions of the aircraft.
Уравнения, описывающие положение ведомого ЛА2 относительно ведущего, полученные в работе [Патент RU №2700908, Опубл: 23.09.2019] имеют видThe equations describing the position of the slave aircraft 2 relative to the master, obtained in [Patent RU No. 2700908, Publ: 09/23/2019] have the form
где - фокусное расстояние объектива фотокамеры; - координаты лазерных меток в системе координат связанной с ведущим ЛА; X1, Y1, Z1, α, β, χ - искомые координаты взаимного положения ведомого относительно ведущего; aij(i,j=1..3) - коэффициенты матрицы A направляющих косинусов, описывающие угловое движение ведомого ЛА относительно ведущегоwhere - focal length of the camera lens; - coordinates of laser marks in the coordinate system associated with the leading aircraft; X 1 , Y 1 , Z 1 , α, β, χ - the required coordinates of the relative position of the follower relative to the leader; a ij (i, j = 1..3) are the coefficients of the matrix A of the direction cosines describing the angular motion of the driven aircraft relative to the leading
Используя решение системы уравнений (1) вычисляются линейные и угловые координаты ведомого летательного аппарата относительно ведущего. Решение этой системы уравнений осуществляется методом Ньютона-Рафсона.Using the solution of the system of equations (1), linear and corner the coordinates of the slave aircraft relative to the master. The solution of this system of equations is carried out by the Newton-Raphson method.
При наличии измеренных значений линейных X1, Y1, Z1 и угловых α, β, χ координат ведомого летательного аппарата относительно ведущего, монокулярные системы технического зрения ЛА1 и ЛА2 используются для создания бинокулярной системы, при этом формируется двусторонний обмен информацией, используемой для вычислений посредством оптико-электронных средств измерения (лазерных меток и фотоприемников).In the presence of measured values of linear X 1 , Y 1 , Z 1 and angular α, β, χ coordinates of the slave aircraft relative to the master, monocular vision systems of aircraft 1 and 2 are used to create a binocular system, while forming a two-way exchange of information used for calculations by means of optoelectronic measuring instruments (laser tags and photodetectors).
Для описания функционирования такой системы технического зрения выразим связь между измеряемыми координатами X1, Y1, Z1, α, β, χ, а также координатами изображений особых точек на фотоматрицах бинокулярной СТЗ. Связь ортов систем координат O1X1Y1Z1 и O2X2Y2Z2 описывается известными соотношениямиTo describe the functioning of such a technical vision system, let us express the relationship between the measured coordinates X 1 , Y 1 , Z 1 , α, β, χ, as well as the coordinates of the images of singular points on the photomatrices of the binocular STZ. The connection between the unit vectors of the coordinate systems O 1 X 1 Y 1 Z 1 and O 2 X 2 Y 2 Z 2 is described by the known relations
где матрица преобразования имеет видwhere the transformation matrix has the form
Двумя способами выражается вектор и приравниваются правые части этих выражений:The vector is expressed in two ways and the right-hand sides of these expressions are equated:
Вектора и выражаются посредством следующих соотношений, которые следуют из подобия пар треугольников и а также запишем выражения векторов и Vectors and are expressed by means of the following relations, which follow from the similarity of pairs of triangles and and also write down expressions of vectors and
где и - проекции векторов и на оси O1X1 и О2Х2; - координаты изображения особой точки на фотоматрицах ФМ1 и ФМ2; и - единичные орты в системах координат O1X1Y1Z1 и O2X2Y2Z2; F=OF=O1F1 - фокусное расстояние объектива; первый индекс в обозначении координат - номер фотоматрицы.where and - vector projections and on the axis O 1 X 1 and O 2 X 2 ; - coordinates of the image of the singular point on photomatrices FM1 and FM2; and - unit vectors in coordinate systems O 1 X 1 Y 1 Z 1 and O 2 X 2 Y 2 Z 2 ; F = OF = O 1 F 1 - lens focal length; the first index in the designation of coordinates is the number of the photomatrix.
С учетом полученных выражений перепишем векторное равенство (2), выразим связь измеряемых посредством межсамолетной системы навигации вектора и координат изображений особой точки на фотоматрицах бинокулярной СТЗ запишем в виде следующего соотношенияTaking into account the obtained expressions, we rewrite the vector equality (2), express the relationship between the vectors measured by the interslane navigation system and the coordinates of the images of the singular point on the photomatrices of the binocular STZ we write in the form of the following relation
Используя выражения для ортов получимUsing expressions for unit vectors get
Проецируя последнее равенство на оси системы координат O1X1Y1Z1, получимProjecting the last equality on the axis of the coordinate system O 1 X 1 Y 1 Z 1 , we get
Используем в этих уравнениях следующие обозначенияWe use the following notation in these equations
получим get
Из этих уравнений выразим неизвестные и From these equations we express the unknowns and
Используя ранее полученные соотношения (3), выразим координаты точки Р земной поверхности в системе координат O1X1Y1Z1 Using the previously obtained relations (3), we express the coordinates of the point P of the earth's surface in the coordinate system O 1 X 1 Y 1 Z 1
Полученные соотношения позволяют определять координаты любой контрастной точки земной поверхности в системе координат связанной с фотоматрицей ведущего ЛА. Это дает основание говорить о возможности построения измерительной системы технического зрения, размещенной на двух летательных аппаратах группы, связанных между собой системой межсамолетной навигации.The obtained ratios make it possible to determine the coordinates of any contrasting point of the earth's surface in the coordinate system associated with the photomatrix of the leading aircraft. This gives grounds to speak about the possibility of constructing a measuring system of technical vision, located on two aircraft of the group, interconnected by an inter-aircraft navigation system.
Работа системы групповой системы видеонавигации сводится к измерению координат контрастных точек земной поверхности посредством распределенной бинокулярной системы технического зрения, включающей фотокамеры 1, 2 и цифровые вычислители 3, 4 обоих ЛА. Информационное взаимодействие цифровых вычислителей осуществляется через двунаправленный оптико-электронный канал связи (фотоприемники 5 и 6 - лазерные метки M1, М2, М3). Импульсное излучение лазерных меток имеет две составляющие - навигационную и информационную. Первая из них воздействует на фотокамеру 2 второго ЛА и обеспечивает измерение взаимного положения летательных аппаратов. Информационная составляющая сигналов лазерных меток обеспечивает взаимный обмен цифровых вычислителей 3 и 4, в которых осуществляется обработка изображений земной поверхности, отыскание оптических контрастов (Р) и их стереоотождествление, а также решение вычислительной задачи в соответствии с алгоритмом (соотношения 8).The work of the group video navigation system is reduced to measuring the coordinates of contrast points the earth's surface by means of a distributed binocular vision system, including
Рассмотрим схему измерения пространственного перемещения ведущего группы летательных аппаратов посредством установленных на них фотокамер стереопары (фиг. 1), при этом на земной поверхности используется группа из трех особых точек (индекс n=1, 2, 3, … - номер особой точки). Здесь прямоугольная система координат связана с подвижным объектом в m-м пространственном положении (в m-й момент времени), фотоматрицы ФМ1, ФМ2 цифровых фотокамер 1 и 2 стереопары расположены в плоскости а оптические оси объективов параллельны оси Центры фотоматриц O1,m (O2,m) расположены симметрично относительно начала координат Om (Om+1 - его положение в m+1-й момент времени) на расстояниях В/2. Системы координат и лежат в плоскости фотоматриц, причем оси и параллельны оси а оси и совпадают с осью В точках F1 и F2 располагаются геометрические центры объективов левой и правой фотокамер, формирующих оптические изображения S1m и S2m особой точки земной поверхности а в следующий момент времени - S1m+1 и S2m+1. Точки D1 и D2 - проекции точки P1m на плоскости фотоматриц ФМ1 (O1Y1Z1) и ФМ2 (O2Y2Z2).Let us consider the scheme for measuring the spatial movement of the leading group of aircraft by means of the stereo pair cameras installed on them (Fig. 1), while a group of three special points is used on the earth's surface (index n = 1, 2, 3,… is the number of the singular point). Here the rectangular coordinate system is connected with a moving object in the m-th spatial position (at the m-th moment of time), photomatrix FM1, FM2 of
Выделение на изображении каждой фотокамеры по меньшей мере трех особых точек земной поверхности может быть выполнено путем программной обработки изображений земной поверхности, которая может осуществляться, например, методом ускоренной проверки сегментов (FAST) яркости точек, образующих окружность заданного радиуса.The selection of at least three specific points of the earth's surface in the image of each camera can be performed by software processing of images of the earth's surface, which can be carried out, for example, by the method of fast checking of segments (FAST) of the brightness of points forming a circle of a given radius.
Определение координат изображений трех особых точек на фотоматрицах из положений в моменты времени m-й фотоэкспозиции обеспечивает вычисление координат n-й особой точки относительно подвижного объекта в связанной системе координат по формулам (8).Determination of coordinates images of three special points on the photomatrix from the positions at the moments of time of the m-th photoexposure provides the calculation of the coordinates n-th singular point relative to a moving object in a connected coordinate system according to formulas (8).
Положение системы координат связанной с подвижным объектом, относительно ее предыдущего положения задается вектором смещения начала координат а изменение углового положения системы - матрицей направляющих косинусов.Coordinate system position associated with a moving object, relative to its previous position given by the offset vector of the origin and the change in the angular position of the system - a matrix of direction cosines.
где - углы последовательных разворотов подвижного объекта вокруг осей соответственно, за время между двумя последовательными фотоэкспозициями.where - angles of successive turns of the moving object around the axes respectively, for the time between two successive photo exposures.
Запишем соотношение, связывающее измеряемые вектора и в системах соответственноLet us write down the relation connecting the measured vectors and in systems respectively
где - вектор, с началом в точке а конец в точке отсчитанный в системе координат а также очевидное векторное равенство, связывающее m и m+1 экспозицииwhere - vector, with the origin at the point and the end at the point referenced in the coordinate system and also the obvious vector equality connecting m and m + 1 exposures
Поскольку, вектор измерить методом прямых измерений не возможно, то для того чтобы воспользоваться равенством (9), необходимо выразить этот вектор в проекциях на оси системы координат получимSince the vector it is not possible to measure by the method of direct measurements, in order to use equality (9), it is necessary to express this vector in projections on the axes of the coordinate system get
Полученное соотношение содержит шесть неизвестных величин а также вектора и доступные для прямых измерений, и для совокупности трех особых точек представляет собой систему 9 нелинейных алгебраических уравнений, которая может быть решена применением специальных численных методов, использующихся для таких переопределенных систем.The resulting ratio contains six unknown quantities as well as vectors and available for direct measurements, and for a set of three singular points is a system of 9 nonlinear algebraic equations, which can be solved using special numerical methods used for such overdetermined systems.
Чтобы избежать этого, найдем аналитическое решение задачи. Применим соотношение (10) для трех особых точек земной поверхности, на положение которых накладывается следующее условие, они образуют треугольник ненулевой площади (не лежат на одной прямой)To avoid this, we will find an analytical solution to the problem. We apply relation (10) for three singular points of the earth's surface, on the position of which the following condition is imposed, they form a triangle of nonzero area (do not lie on one straight line)
Вычитая из второго соотношения первое, а из третьего второе, получимSubtracting the first from the second ratio, and the second from the third, we get
Запишем также соотношение, описывающее преобразование координат вектора равного векторному произведению этих векторов, поскольку, для нашей цели необходим вектор, не являющийся линейной комбинацией выбранных векторовWe also write down the relation describing the transformation of the coordinates of a vector equal to the vector product of these vectors, since, for our purpose, we need a vector that is not a linear combination of the selected vectors
Три последних соотношения используем для записи матричного соотношения, в котором матрицы-столбцы занимают место столбцов в блочных матрицах, такая запись следует из правила умножения матрицWe use the last three relationships to write a matrix relationship, in which column matrices take the place of columns in block matrices, such a notation follows from the matrix multiplication rule
Из последнего матричного равенства выразим искомую матрицу (Am) путем умножения справа обеих частей равенства на матрицу обратную сомножителю матрицы (Am). Отметим, что определитель этой матрицы не равен нулю, поскольку три вектора, координаты которых записаны в столбцах матрицы, являются линейно не зависимыми и, следовательно, обратная матрица существует.From the last matrix equality, we express the required matrix (A m ) by multiplying both sides of the equality on the right by the matrix inverse of the matrix factor (A m ). Note that the determinant of this matrix is not equal to zero, since the three vectors whose coordinates are written in the columns of the matrix are linearly independent and, therefore, the inverse matrix exists.
Поскольку все координаты векторов в выражении матрицы непосредственно измеряются с помощью СТЗ в моменты m и m+1 экспозиций, то соотношение (12) используется для вычисления углового перемещения подвижного объекта относительно земной поверхности за интервал времени между двумя фотоэкспозициями. Для определения вектора линейного перемещения подвижного объекта воспользуемся соотношением (11) при n=1.Since all the coordinates of the vectors in the matrix expression are directly measured using the STZ at the moments of m and m + 1 exposures, then relation (12) is used to calculate the angular displacement of a moving object relative to the earth's surface during the time interval between two photo exposures. To determine the vector of linear displacement of a moving object we use relation (11) for n = 1.
Матрица, описывающая вращательное движение подвижного объекта из начального в конечное положение записывается в виде произведения матриц, описывающих вращения за интервалы времени между двумя последовательными фотоэкспозициями.The matrix describing the rotational motion of the movable object from the initial to the final position is written in the form of a product of matrices describing the rotations during the time intervals between two successive photo exposures.
Для определения координат подвижного объекта необходимо учесть начальное угловое и пространственное его положение, которое зададим географическими координатами ϕ0 - широтой, λ0 - долготой, R0 - удалением от центра земли, а его угловое положение относительно земли углами курса - ψ0, крена - γ0 и тангажа - υ0, тогда конечное угловое положение подвижного объекта определим посредством матрицы.To determine the coordinates of a moving object, it is necessary to take into account its initial angular and spatial position, which will be set by the geographical coordinates ϕ 0 - latitude, λ 0 - longitude, R 0 - distance from the center of the earth, and its angular position relative to the ground by course angles - ψ 0 , roll - γ 0 and pitch - υ 0 , then the final angular position of the moving object is determined by means of the matrix.
гдеwhere
Матрица, определяющая начальное угловое положение подвижного объекта.Matrix defining the initial angular position of the movable object.
Задача определения начального положения подвижного объекта в навигации известна как начальная выставка системы, для ее осуществления используется несколько известных методов.The problem of determining the initial position of a moving object in navigation is known as the initial exhibition of the system, and several well-known methods are used for its implementation.
Находим приращения географических координат за один m-й интервал времени между последовательными фотоэкспозициями, а путем суммирования выразим текущие координаты подвижного объекта в m-й (текущий) момент, при этом учтем начальное местоположение объекта. Вычисляем текущие координаты местоположения подвижного объекта по следующим формуламWe find the increments of geographical coordinates for one m-th time interval between successive photo exposures, and by summation we express the current coordinates of the moving object at the m-th (current) moment, while taking into account the initial location of the object. We calculate the current coordinates of the location of the moving object according to the following formulas
где - элементы матрицы направляющих косинусов вида (15) определяемые текущими углами крена, курса и тангажа подвижного объекта.where - elements of the matrix of direction cosines of the form (15) determined by the current angles of roll, course and pitch of the moving object.
Поскольку изображения земной поверхности содержат значительное число контрастных точек, то целесообразно обеспечить многократные измерения координат подвижного объекта с обработкой их результатов. Это обеспечит снижение погрешностей измерений, а также текущий контроль уровня этих ошибок.Since the images of the earth's surface contain a significant number of contrast points, it is advisable to provide multiple measurements of the coordinates of a moving object with processing of their results. This will ensure the reduction of measurement errors, as well as monitoring the level of these errors.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021100336A RU2758285C1 (en) | 2021-01-11 | 2021-01-11 | Method for group video navigation of aircraft |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021100336A RU2758285C1 (en) | 2021-01-11 | 2021-01-11 | Method for group video navigation of aircraft |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2758285C1 true RU2758285C1 (en) | 2021-10-28 |
Family
ID=78466385
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021100336A RU2758285C1 (en) | 2021-01-11 | 2021-01-11 | Method for group video navigation of aircraft |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2758285C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2820355C1 (en) * | 2022-06-09 | 2024-06-03 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) | Method for coordinated movement of group of autonomous unmanned underwater vehicles |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2347240C2 (en) * | 2007-04-23 | 2009-02-20 | Василий Иванович Конотоп | Method of determination of situation and corners of orientation of flying machine concerning runway and device for its realisation |
| RU2550811C1 (en) * | 2014-04-15 | 2015-05-20 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации | Method and device for object coordinates determination |
| US20150301529A1 (en) * | 2012-02-13 | 2015-10-22 | C & P Technologies, Inc. | Method and apparatus for dynamic swarming of airborne drones for a reconfigurable array |
| RU2626017C1 (en) * | 2016-07-25 | 2017-07-21 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method of navigating mobile object |
| CN108955722A (en) * | 2018-05-22 | 2018-12-07 | 北京和协导航科技有限公司 | Unmanned plane target position indicator system and indicating means |
-
2021
- 2021-01-11 RU RU2021100336A patent/RU2758285C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2347240C2 (en) * | 2007-04-23 | 2009-02-20 | Василий Иванович Конотоп | Method of determination of situation and corners of orientation of flying machine concerning runway and device for its realisation |
| US20150301529A1 (en) * | 2012-02-13 | 2015-10-22 | C & P Technologies, Inc. | Method and apparatus for dynamic swarming of airborne drones for a reconfigurable array |
| RU2550811C1 (en) * | 2014-04-15 | 2015-05-20 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации | Method and device for object coordinates determination |
| RU2626017C1 (en) * | 2016-07-25 | 2017-07-21 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method of navigating mobile object |
| CN108955722A (en) * | 2018-05-22 | 2018-12-07 | 北京和协导航科技有限公司 | Unmanned plane target position indicator system and indicating means |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| В.Г. БОНДАРЕВ, ВИДЕОНАВИГАЦИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА, N213, 2015. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2820355C1 (en) * | 2022-06-09 | 2024-06-03 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) | Method for coordinated movement of group of autonomous unmanned underwater vehicles |
| RU2833284C1 (en) * | 2024-04-09 | 2025-01-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) | Method for coordinated movement of several mobile robotic objects |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8494225B2 (en) | Navigation method and aparatus | |
| Malowany et al. | Multi-camera digital image correlation method with distributed fields of view | |
| US8886366B2 (en) | Device and method to estimate the state of a moving vehicle | |
| US20130236107A1 (en) | Moving image processing device, moving image processing method, and recording medium having moving image processing program | |
| Di et al. | Geospatial technologies for Chang’e-3 and Chang’e-4 lunar rover missions | |
| Huang et al. | Measurement method and recent progress of vision-based deflection measurement of bridges: a technical review | |
| CN101963500A (en) | Computer vision large-scale distance measuring method and portable distance measurer for applying same | |
| US12152904B2 (en) | Single star-based orientation method using dual-axis level sensor | |
| RU2758285C1 (en) | Method for group video navigation of aircraft | |
| Liu et al. | Parallel camera network: Motion-compensation vision measurement method and system for structural displacement | |
| Negahdaripour et al. | Undersea optical stationkeeping: Improved methods | |
| RU2626017C1 (en) | Method of navigating mobile object | |
| Dolloff et al. | Temporal correlation of metadata errors for commercial satellite images: Representation and effects on stereo extraction accuracy | |
| CN102436657A (en) | Active light depth measurement value correction method based on application of Internet of things | |
| Zhang et al. | INS assisted monocular visual odometry for aerial vehicles | |
| RU2706444C1 (en) | Method for local navigation of mobile object | |
| Serwa et al. | Integration of soft computational simulator and strapdown inertial navigation system for aerial surveying project planning | |
| RU2027144C1 (en) | Parallax method of measuring coordinates of object | |
| RU2422772C1 (en) | Method of locating vehicle relative to traffic mark | |
| RU2521972C1 (en) | Measurement method of position of road building machine | |
| Yamada et al. | Evaluation of calibration methods to construct a 3-D environmental map with good color projection using both camera images and laser scanning data | |
| US12142153B2 (en) | Vehicle motion controller via off-axis beam measurement | |
| RU2334945C1 (en) | Method of detection of helicopter translation movement at landing and device for its implementation | |
| Huang et al. | A bio-inspired array skylight compass for urban ground navigation | |
| RU2368920C1 (en) | Method and device for flickering moving point coordinate measurement |