АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ И ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ НАЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 681.5.08

АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ И ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ НАЗЕМНЫХ

ОБЪЕКТОВ

© 2018 В.В. Шипко, В.И. Рубинов, И.Е. Шаронов, А.С. Ханов

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж, Россия

Аннотация: представлен алгоритм определения координат и параметров движения наземных объектов с помощью оптико-электронной системы с блоком цифровой обработки изображений, установленной на борту беспилотного летательного аппарата. После обнаружения и захвата наземного объекта оптико-электронной системой в отдельные моменты времени определяют углы визирования в горизонтальной и вертикальной плоскости, высоту полета и еще ряд параметров, выступающих в качестве исходных данных. По этим исходным данным выполняется определение координат наземного объекта и параметров его движения путем решения геометрической задачи по разработанному алгоритму, заложенному в бортовой вычислительной системе. Такой подход обеспечивает пассивное дистанционное определение координат наземного объекта, а также его параметров движения. В частности, в предлагаемом алгоритме не требуется доплеровский измеритель скорости или другое дополнительное оборудование, в результате чего существенно уменьшаются стоимость и масса оборудования, устанавливаемого на беспилотном летательном аппарате, а также затраты потребляемой этим оборудованием энергии бортового источника электроэнергии. Разработанный алгоритм позволяет определять координаты, скорость и направление движения наземного объекта, перемещающегося в любом направлении относительно линии полета беспилотного летательного аппарата

Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, параметры движения наземного объекта, оптико-электронная система

Введение

Определение координат и параметров движения наземных объектов (НО) с беспилотного летательного аппарата (БЛА) является неотъемлемой частью при решении многих задач мониторинга. Известны способы определения координат и параметров движения наземных объектов, основанные на радиолокационном принципе [1]. Недостатком радиолокационных методов является то, что они не имеют полной достоверности результатов измерения, т.к. одни и те же измерения могут производиться до разных точек объекта или вообще для разных объектов, что характерно для городских условий и высокой плотности объектов. Существуют способы пассивной радиолокации радиоизлучающих объектов, реализуемые на основе азимутально-угломерного,

триангуляционного или кинематического методов. Наиболее подробно математические модели и алгоритмы реализации этих методов приведены в [1, 2]. Основным недостатком способов пассивной радиолокации является то, что они не применимы для неизлучающих объектов, которыми в большинстве случаев и являются объекты интереса (автотранспорт, водный транспорт, люди и т.д.). При этом возможно заимствование некоторых моделей

[2] пассивной радиолокации для оптико-электронных систем (ОЭС) позиционирования и мониторинга с учетом их специфики функционирования на борту летательного аппарата.

В частности, определение координат и параметров движения НО возможно с помощью двухосной гиростабилизированной ОЭС, включающей в свой состав тепловизионный канал, телевизионный канал (видеокамера), а также многофункциональный блок цифровой обработки изображений [3-5]. Такие ОЭС имеют широкий диапазон углов разворота по азимуту, и углу места, высокую скорость перемещения линии визирования (ЛВ), позволяют получать качественные и устойчивые изображения в любое время суток в условиях ограниченной видимости, а также производить автоматический захват и сопровождение с измерением текущего азимута, угла места, а также геометрической наклонной и горизонтальной дальности до НО.

На рис. 1 представлена структурная схема ОЭС обнаружения и сопровождения НО [6], где обозначено: 1 - последовательность получаемых цифровых изображений; 2 -угломерные данные отклонения ЛВ ОЭС; 3 -координаты и другие параметры отслеживаемых объектов; 4 - координаты и параметры объектов, представленные в форме

необходимой потребителю; 5 - изменение параметров представления информации, выбор объекта для сопровождения; 6 -рассогласование между желаемыми и текущими координатами объекта; 7 - сигналы управления поворотом платформы.

Устройство анализа изображений 3 Модуль взаимодействия с потребителем

Устройство Управления

Рис. 1. Система автоматического обнаружения,

сопровождения и определения параметров НО

Необходимо отметить, что в известных моделях и алгоритмах функционирования таких ОЭС не в полной мере учитываются особенности их работы на борту БЛА. Например, в способах [7, 8] для определения горизонтальной дальности и координат НО в полете на летательном аппарате вычисляют угол визирования в, как разность измеренных в вертикальной плоскости угла 3 между линией визирования и продольной осью летательного аппарата (угол места) и угла ф между продольной осью и вертикалью. При этом не учитывается поперечная составляющая летательного аппарата, что влечет к появлению ошибки в определении дальности и координат НО в целом. Это связано с отклонениями летательного аппарата по крену в моменты снятия угломерных данных.

На рис. 2 представлена зависимость среднеквадратической ошибки ап

определения горизонтальной дальности £>г до НО известным способом [7] при изменении угла крена у летательного аппарата на различных высотах полета Н .

600

400

200

✓

^ 3

10

15

7, град

Рис. 2. Ошибка определения геометрической горизонтальной дальности до НО без учета отклонения летательного аппарата по крену при: 1 - H = 300 м.;

2 - H = 500 м.; 3 - H = 800 м.

Зависимости на рис. 2 представлены для угла визирования НО в = 54.7° , при этом продольная (х) и поперечная (z)

составляющие этого угла вх = 45°, в = 45° . Исходя из этого для учета влияния углов крена и тангажа БЛА при определении дальности, координат и относительных параметров движения НО по данным бортовой ОЭС целесообразно измерение продольной ß и поперечной ßz составляющих угла места.

Целью работы является снижение массогабаритных и электроэнергетических затрат бортового оборудования БЛА, а также повышение скрытности и точности определения координат и параметров движения НО с помощью бортовой ОЭС БЛА.

Модель определения координат и параметров движения наземного объекта ОЭС БЛА. Постановка задачи.

Исходные данные

В полете БЛА обнаруживают заданный НО бортовой ОЭС БЛА. Находят центр изображения НО на видеокадре, фиксируют ЛВ ОЭС так, чтобы центр изображения НО совпадал с центром видеокадра и далее выполняют сопровождение НО [6].

Обозначим точками Aj , A2 положения центра масс БЛА, а точками Bj , B2 положения центра НО в моменты времени tj и t2 в прямоугольной не вращающейся системе координат OXYZ (рис. 3). Система координат Axyz является связанной системой координат БЛА. Ось OX совпадает с линией пути БЛА и является проекцией оси Ах на

, м

2

5

4

6

7

горизонтальную плоскость, ось OY направлена вверх по местной вертикали, ось 02 перпендикулярна оси ОХ . Проекции точки А1 на плоскость ХСК (хА1 = 0, гА1 = 0)

совпадают с началом координат системы координат СХУ2 , а проекции точки А2 определяют расстояние 5" пролета БЛА за время At = -11 (хА2 = 5, гА2 = 0) . Таким образом, для определения скорости VB и относительного направления движения НО найдем координаты хВ1, 2В1, хВ2, 2В1 и расстояние dВ между точками В1 и В2.

Для этого в моменты времени ? и определяют следующие параметры:

1) углы а12 в ХС2 плоскости между ЛВ1, ЛВ2 и продольной осью БЛА (рис. 4);

2) углы /3*2 в плоскости УС2 между ЛВ1, ЛВ2 и поперечной осью БЛА (рис. 5);

3) углы <р22 в плоскости УС2 между поперечной осью БЛА и вертикалью (рис. 5);

4) углы РХ2 в плоскости УСХ между ЛВ1, ЛВ2 и продольной осью БЛА (рис. 6);

5) углы (рХ2 в плоскости УСХ между продольной осью БЛА и вертикалью (рис. 6);

6) высоты Н12 полета БЛА над рельефом местности;

7) расстояние 5 пролета БЛА за интервал времени Д.

Х

а

У'

А

У"

С

Рис. 3. Геометрическая модель определения координат и параметров движения НО по данным ОЭС БЛА

Рис. 4. Плоскость ХС2 заданной системы координат 'У

А

Рис. 5. Плоскость УС2 заданной системы координат У х ,

Рис. 6. Плоскость УСХ заданной системы координат

Полученные значения ах 2, РХ'2 , (1X2 , Н12 и 5 подают на соответствующие входы бортовой цифровой вычислительной системы (БЦВС) БЛА, где на следующем этапе определяют координаты, скорость и направление движения НО по разработанному алгоритму с учетом эволюций БЛА по крену и тангажу.

Алгоритм определения координат, скорости и направления движения наземного объекта

С использованием введенной информации в БЦВС БЛА вычисляют:

1. Углы в^ между ЛВ1, ЛВ2 и

вертикалью (углы визирования) в продольном и поперечном и сечениях:

61*,2 _ ,„*,2 П*,2 1,2 - ф,2 - ¡1,2

(1)

Так как однозначное определение углов визирования в12 (рис. 3) с помощью нестабилизированной ОЭС невозможно, то полученные продольные в*2 и поперечные в*2

составляющие этих углов позволяют учесть эволюции БЛА по крену и тангажу при вычислении дальности до НО и не допустить возникновение ошибок, представленных на рис. 2. При этом для гиростабилизированных ОЭС отклонения БЛА по крену у и тангажу 3 не влияют на углы визирования, и поэтому они будут вычисляться следующим образом:

в*2 - 90° - 3*2-3 - 90° - * 1,

(2)

в -190° -¡22У -190° -¡сгт. 1Д|. (3)

2. Горизонтальные дальности Вг1,2 до НО

с учетом продольной и поперечной составляющих угла визирования:

- Н^2 (в1*2)+ tg2 в) . (4)

Коррекцию Вг12 с учетом превышения

(принижения) НО относительно проекции места нахождения БЛА на поверхность рельефа местности можно выполнить с помощью цифровой карты высот рельефа местности [7].

3. В зависимости от значений углов а1 и а2 вычисляют координаты *В1, 2В1 и *В2, 1В2 точек В1 и В2 в плоскости Х02 , решая прямоугольные треугольники [9] по следующему алгоритму:

Вг1 при а1 - 0°,

0 при а1 - 90°,

или а1 - 270°, cos (а1) Вг1 при а1 < 90°,

-Вг1 при а1 -180°, (5)

- sin (а1 - 90°) Вг1 при 90° < а1 < 180°,

- ^ (а1 -180°) Вг1 при 180° < а1 < 270°, sin (а1 - 270°) Вг1 при 270° < а1 < 360°,

0 при а1 - 0°,

или а1 -180°, Вг1 при а1 - 90°,

-Вг1 при а1 - 270°,

sin (а1) Вг1 при а1 < 90°, (6)

^ (а1 - 90°) Вг1 при 90° < а1 < 180°,

- sin (а1 -180°) Вг1 при 180° < а1 < 270°,

- ^ (а1 - 270°) Вг1 при 270° < а1 < 360°,

Я + Вг2

Я

при а2 - 0°, при а2 - 90°, или а - 270°

Я + ^ (а2) Вг2 при а2 < 90°, Я - Вг2 при а2 -180°, (7)

Я -^(а2 - 90°)Вг2 при 90° <а2 < 180°, Я - ^ (а2 -180°) Вг2 при 180° < а2 < 270°, Я + sin (а2 - 270°) Вг2 при 270° <а2 < 360°,

при а2 - 0°,

или а -180°

В

при а2 - 90°, при а2 - 270°, при а2 < 90°, (8)

ш(180° -а2)Вг2 при 90° < а2 < 180°, - sin (а2 -180°) Вг2 при 180° < а2 < 270°, -^ (а2 - 270°)Вг2 при 270° < а2 < 360°.

г2 -Вг2

sin (а2) Вг sin

Возможные варианты расположения точек В1 , В2 для соответствующих значений углов а1 и а2 представлены на рис. 7.

*В1 -

2В1

*В2

2В2

На рис. 7 расположение точек B1(1), B2(1)

для «12=0° ; B для а12=90° ; B,

1(2), B2(2) ДЛЯ °%2 < 90° ; B1(3), B2(3)

B1(5), B2(5)

для

J1(4), B2(4)

a12 = 180°

для 90° < a12 < 180° ;

B1(6), B2(6)

для

180° < a12 < 270°

B1 m , BT

B1(7), B2(7) -'1(8), B2(8) для 270° < au < 360°

* X

b„

для «12 =270°

Рис. 7. Возможные варианты расположения точек B1

B„

в плоскости

XOZ

4. Расстояние, пройденное НО за время At:

dB — \j( XB2 XB1 ) + (ZB2 ZB1 )

5. Скорость НО:

Kb — —B .

B At

(9)

(10)

6. Направление движение НО относительно линии пути БЛА удобнее всего

представить углом отсчитываемым по

>

часовой стрелке от оси СХ в диапазоне 0°...360°:

L B

0° 180° 90° 270°

при при при при

(90° -у) при (90° + у) при (270° -у) при (270° + у) при

XB1 — XB2 и ZB

XB1 > XB2 и ZB

XB1 — XB2 и ZB

XB1 — XB2 и ZB

XB1 < XB2 и ZB

XB1 > XB2 и ZB

XB1 > XB2 и ZB

XB1 < XB2 и ZB

— ZB2 ) ,

— ZB2 ) ,

< ZB2 ) ,

>Z

<Z

<Z

(11)

>Z

>Z

2 ) ,

где у — -

180°

л

arctg

lY\

VIZB2 ZB1\ J

Выводы

Таким образом, рассмотренный алгоритм обеспечивает пассивное дистанционное определение координат НО, а также его параметров движения с помощью штатной ОЭС с учетом эволюций БЛА. В частности, в предлагаемом алгоритме не требуется доплеровский измеритель скорости или лазерный дальномер или другое дополнительное оборудование, в результате чего существенно уменьшается стоимость и масса оборудования, устанавливаемого на БЛА, а также затраты потребляемой этим оборудованием энергии бортового источника электроэнергии, чем и достигается цель работы.

Литература

1. Справочник по радиолокации / под ред. М.И. Сколника. М.: Техносфера, 2014. Кн. 1. 672 с.

2. Определение координат и параметров движения источников радиоизлучения по угломерным данным в однопозиционных бортовых радиолокационных системах / В.В. Дрогалин, П.И. Дудник, А.И. Канащенков и др. // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 2002. № 3. С. 64-93.

3. Системы оптического наблюдения [Электронный ресурс]: Режим доступа: World Wide Web. URL : http: // www. uomz. ru/ru/production/ optical-observation-system.

4. Гиростабилизированные тепловизионные системы [Электронный ресурс]: Режим доступа: World Wide Web. URL : http: // www. m.pergam.ru/catalog/cctv/gyrostabilised/.

5. Гиростабилизированные подвесы [Электронный ресурс]: Режим доступа: World Wide Web. URL: http: // www.general-optics.ru/catalog/?SECTION_ID= 15.

6. Методы автоматического обнаружения и сопровождения объектов. Обработка изображений и управление / Б.А. Алпатов, П.В. Бабаян, О.Е. Балашов, А.И. Степашкин. М.: Радиотехника, 2008. 176 с.

7. Пат. 2148795 Российская Федерация, МПК G01S13/18. Способ определения дальности [Текст] / Григорьев В.Г., Григорьев Д.В., Григорьев В.В., заявитель и патентообладатель Григорьев В.Г., Григорьев Д.В., Григорьев В.В.; заявл. 22.02.1998; опубл. 10.07.1999.

8. Пат. 2148795 Российская Федерация, МПК G01S13/06. Способ определения координат наземного объекта / Григорьев В.Г., Григорьев Д.В., Григорьев В.В.; заявитель и патентообладатель Григорьев В.Г., Григорьев Д.В., Григорьев В.В.; заявл. 28.03.2000; опубл. 20.05.2002.

9. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1978. 838 с.

Поступила 13.11.2017; принята к публикации 22.01.2018 47

XB2 XB1

)

)

)

)

Информация об авторах

Шипко Владимир Вацлавович - канд. техн. наук, преподаватель, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54 «А»), тел. 8(950) 7768496, e-mail: shipko.v@bk.ru

Рубинов Владимир Иванович - канд. техн. наук, заместитель начальника кафедры, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54 «А»), тел. 8(980) 3481953, e-mail: rubinov777@mail.ru

Шаронов Иван Евгеньевич - курсант, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54 «А»), тел. 8(950) 7768496, e-mail: shipko.v@bk.ru

Ханов Артем Сергеевич - курсант, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54 «А»), тел. 8(950) 7768496, e-mail: shipko.v@bk.ru

ALGORIHM FOR DETERMINING THE COORDINATES AND PARAMETERS OF THE MOTION OF GROUND OBJECTS

V.V. Shipko, V.I. Rubinov, I.E. Sharonov, A.S. Hanov

Military Educational and Scientific Center of the N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force

Academy, Voronezh, Russia

Abstract: the article presents the model and algorithm of setting out coordinates and movement parameters of the ground objects using optoelectronic system with unit of digital images processing, carried on board of an unmanned aerial vehicle. After detection and seizure of the ground object by optoelectronic system setting out coordinates and movement parameters of the object are set by solving geometric task. This method ensures passive remote setting out coordinates of ground objects and their movement parameters. Particularly, the proposed algorithm does not need require Doppler velocity meter or any other additional equipment. As a result, there is a great reduction of coast and weight of equipment carried on board of an unmanned aerial vehicle. The consumption of energy of an on-board energy source by this equipment is greatly reduced as well. The algorithm allows setting out coordinates, speed and direction of ground objects' movement which move in any direction in relation to flight path of an unmanned aerial vehicle

Key words: unmanned aerial vehicle, parameters of the motion of ground objects, optoelectronic system

References

1. Verbi V.S., "Radiolocation handbook" ("Spravochnik po radiolokatsii"), Moscow, Tehnosfera, 2014, vol. 1, 672 p.

2. Drogalin V.V., Dudnik P.I., Kanashenkov A.I. "Setting out coordinates and movement parameters of radio sources using goniometer data in single positioned board radar systems", Foreign radio electronics (Zarubezhnaya radio elektronika), 2002, pp. 64 - 93

3. "Optical observation system", http: // www.uomz.ru/ru/production/optical-observation-system.

4. "Gyrostabilized thermal imaging system", http: // www. m.pergam.ru/catalog/cctv/gyrostabilised/.

5. "Gyrostabilized suspension", http: // www.general-optics.ru/catalog/?SECTION_ID=15.

6. Alpatov B.A., Babayan P.V., Balashov O.E., Stepashkin A.E. "Methods of automatic detection and tracking of objects. Image processing and control , ("Metody avtomaticheskogo obnaruzheniya i soprovozhdeniya ob"yektov. Obrabotka izobrazheniy i upravleniye"), Moscow, Radiotehnika, 2008, 176 p.

7. Grigor'ev V.G., Grigor'ev D.V., Grigor'ev V.V "Setting distance method", License RU 2148795, MPK G01S13/18., published 10.07.1999.

8. Grigor'ev V.G., Grigor'ev D.V., Grigor'ev V.V "Method for setting out coordinates of ground objects", License RU 2148795, MPK G01S13/06., published. 20.05.2002.

9. Korn G., Korn T. "Mematical handbook" ("Spravochnik po matematike"), Moscow, Nauka 1978, p.838

Submitted 13.11.2017; revised 22.01.2018 Information about authors

Vladimir V. Shipko, Cand.Sc. (Technical), lecturer, Military Educational and Scientific Center of the N.E. Zhukovsky and Y.A.

Gagarin Air Force Academy (54 A, Starykh Bolshevikov, Voronezh, 394064, Russia), e-mail: shipko.v@bk.ru

Vladimir I. Rubinov, Cand.Sc. (Technical), Deputy Head of the Department, Military Educational and Scientific Center of the N.E.

Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy (54, Starykh Bolshevikov, Voronezh, Russia), e-mail: rubinov777@mail.ru

Ivan E. Sharonov, Student, Military Educational and Scientific Center of the N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force

Academy (54 A, Starykh Bolshevikov, Voronezh, 394064, Russia), e-mail: shipko.v@bk.ru

Artyom S. Hanov, Student, Military Educational and Scientific Center of the N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy (54 A, Starykh Bolshevikov, Voronezh, 394064, Russia), e-mail: shipko.v@bk.ru