CC BY
148
УДК 623.54
ПОГРЕШНОСТИ ВИДЕОАППАРАТУРЫ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ТРАЕКТОРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
А.П. Чупахин, Ю.И. Луцков
Исследованы факторы, влияющие на точность измерения в телевизионных системах траекторных измерений. Разработаны способы оценки погрешностей измерения координат малогабаритных летательных аппаратов телевизионными системами, расположенными на подвижной платформе. Проанализирован опыт практической эксплуатации измерительной аппаратуры.
Ключевые слова: траекторные измерения, измерительная аппаратура, погрешность, точность, подвижная платформа.
Видеоаппаратура, применяемая для проведения траекторных измерений полета малых летательных аппаратов (МЛА), согласно устоявшимся представлениям относится к телевизионным измерительным системам. Основной характеристикой подобных систем является погрешность измерения параметра объекта [1, 2], а в рассматриваемом случае - погрешность измерения угловых и непосредственно связанных с ними декартовых координат испытуемого МЛА на заданном участке траектории его движения.
Погрешность измерения в большинстве измерительных систем характеризуется абсолютной А, относительной 5 и приведенной у погрешностями:
Ах = х - X; 5х = —; ух = ———, х хВ - хН
где х - результат измерений; X - истинное значение измеряемой величины; хв , хн - верхнее и нижнее предельны значения диапазона измеряемой величины соответственно [3].
Функциональная схема видеосистемы для траекторных измерений приведена на рис. 1 [1,2].
[~о]~ ФМ ЭМ ИБ |
ТВД
ИУ ФУС
Рис. 1. Структурная схема видеосистемы для траекторных измерений: ТВД - телевизионный датчик; ИБ - измерительный блок; УИР - устройство индикации и регистрации; ФУС - формирователь управляющих сигналов; ИУ - исполнительное устройство; О - объектив; ФМ - фотоматрица; ЭМ - электронные модули
Телевизионный датчик ТВД имеет в своем составе объектив О, фотоматрицу ФМ, ряд электронных модулей ЭМ (видеоусилитель, генератор тактовых импульсов и т.п.). Как видно из схемы, телевизионный датчик формирует изображение МЛА, находящегося в поле зрения объектива, и передает его в виде электрического сигнала в измерительный блок. Измерительный блок служит для предварительной обработки изображения. Исполнительное устройство на основе сигналов от формирователя управляющих сигналов меняет один или несколько параметров телевизионного датчика (например, направление оптической оси, время экспозиции, степень открытия диафрагмы объектива и т. п.) так, чтобы оптимизировать условия наблюдения МЛА [4 - 7].
В соответствии с функциональной схемой можно определить вклад блоков в общую погрешность. Все без исключения блоки, обозначенные на схеме, являются источниками погрешностей в измерительной системе. Одним из основных источников погрешностей является пара объектив-фотоматирица. Использование в видеоаппаратуре широкоугольных объективов и фотоматриц больших размеров приводит к необходимости учитывать влияние аберраций указанной пары, что показано на рис. 2.
Рис. 2. Схема измерений при наличии аберраций. В - дистанция до МЛА; / - фокусное расстояние объектива; Ом, Ам, Вм - точки МЛА, Оф, Аф, Вф - точки фотоматрицы, расположенной в фокальной плоскости
В таком случае в области вблизи центра будет выполняться зависимость
Ам - ^м = Аф - Оф О / '
где Ам - Ом - расстояние от главной оптической оси (точка Ом) до наблюдаемого МЛА (точка Ам) в предметной области; Аф - Оф - расстояние от главной оптической оси (точка Оф) до изображения МЛА (точка Аф) в
плоскости расположения фоточувствительных ячеек фотоматирицы, совпадающей с фокальной плоскостью объектива.
В областях, где наблюдаются искажения, эта зависимость не сохраняется:
Вм - Ом ф Вф - Оф
с = 0,5 • агс1ап
О 7
При необходимости можно определить погрешности измерений, возникающие в оптической системе, зная геометрический размер пикселя используемых фотоматриц [8, 9, 10].
В телевизионных датчиках на основе приборов с зарядовой связью могут присутствовать детерминированные (наводки от импульсных напряжений на электродах матрицы, неоднородности темнового тока и т.п.) и флуктуационные (шумы переноса, шумы генерации зарядов, шумы электрической инжекции, шумы выходного каскада) источники погрешностей [11, 12]. С учетом субъективной погрешности, определяемой ценой деления шкалы измерительного устройства, погрешность, вносимая парой объектив/фотоэлектронный преобразователь, в угловом выражении оценивается как
"д/
7
где А/ - геометрический размер пикселя; / - фокусное расстояние объектива.
Ошибки, возникающие в измерительном блоке и формирователе управляющих сигналов, которые влияют на результат измерения, во многом определяются методикой и математическими алгоритмами, выбранными для их работы. Обработка полученного видеосигнала в телевизионных измерительных системах также может стать источником погрешности, свой вклад в которую вносят шумы усилительного тракта и конечная разрядность цифрового вычислительного устройства.
В видеосистемах, установленных на подвижных платформах, учет погрешности исполнительного устройства представляется крайне важной задачей, поскольку на современном уровне развития элементной базы, ошибки поворотной платформы, как правило, доминируют над ошибками оптико-электронной составляющей измерительной системы. Основными источниками неточностей в измерениях координат МЛА являются следующие факторы:
1) погрешность показаний датчиков угла, устанавливаемых на осях платформы, которая имеет порядок единиц угловых секунд;
2) ошибки, связанные с несовпадением центров поворотной платформы и оптической системы (рис. 3).
Из рис. 3 видно, что при любом отклонении конструктивного размещения оптической системы на платформе от идеализированного истинный угол а направления на цель будет отличаться от реально фиксируемого фотоматрицей оптической системы угла а'. Ошибка Да = а-а зависит от ДО, расстояния между центрами вращения и точкой крепленния видеосистемы, и О, расстояния до МЛА;
3) ошибки, связанные с непараллельностью оптической оси и осевой линией платформы (непараллельностью). Ошибки такого рода связаны с точностью установки плоскости оптической системы относительно осей вращения платформы и с возможностями ее юстировки. При качественной юстировке они могут быть сведены к нулю. Оцениваются только опытным путем при, так называемой поверке места нуля измерительной системы;
4) ошибки, связанные с несинхронностью моментов регистрации кадра с соответствующей регистрацией углового положения поворотной платформы. Такая ситуация возникает, когда фиксация углового положения происходит по сигналу открытия электронного затвора оптической системы либо, наоборот, когда затвор оптической системы открывается при поступлении соответствующего сигнала от платформы в момент, когда ее положение известно. При этом нужно учитывать, что прохождение подобных сигналов занимает некоторое время, т.к. на их пути присутствуют логические элементы с определенным быстродействием. Как правило, их суммарная вносимая задержка не превышает сотен наносекунд, поэтому этим видом погрешности можно пренебречь.
Рис. 3. Ошибки, возникающие от несовпадения центров вращения и размещения видеосистемы
Погрешности измерения в угловом выражении (по углу азимута и по углу места соответственно) для единичного поста Аа1, АР в соответствии со структурной схемой можно представить как
Аа = Аа0 + АОфМ + А^ + Ааж,фус + Аа^;
Ар = АЬ + АДфм + АДЭМ + АЬИБ,ФУС + АЬИУ , где Аа, АР - погрешности измерений по углам азимута и места; буквенные индексы составляющих погрешности соответствуют аббревиатурам блоков функциональной схемы, приведенной на рис. 1.
Кроме погрешностей, присущих каждой видеосистеме в отдельности, при последовательном расположении видеосистем по трассе полета
МЛА возникают специфические ошибки. В общем случае моменты времени экспозиции кадров первой видеосистемы не совпадают с моментами экспозиции кадров второй, а иногда и частота видеосъемки может быть различной. Для компенсации временных рассогласований предлагается метод линейной интерполяции. Поскольку временной интервал между моментами экспозиций достаточно мал, можно считать изменение угла на этом отрезке линейным во времени.
Суммарная погрешность измерения при использовании двух видеосистем можно выразить в виде следующих зависимостей:
Да =Да1 +Да1« 2; Др =Др1 +Др1« 2, где Да1«2, ДР1«2 - соответственно азимутальная и угломестная ошибки совместной обработки информации с двух постов.
Отдельно можно выделить тот факт, что правильным размещением видеосистем по трассе движения МЛА можно минимизировать погрешность измерения по какой-либо координате либо по всем координатам одновременно. Для этого необходимо иметь возможность оценивания потенциально достижимой точности измерения в каждом конкретном случае размещения аппаратуры, а также решения этой задачи и в обратном направлении.
Таким образом, проведен анализ некоторых наиболее общих источников погрешностей в видеосистемах, используемых при проведении траекторных измерений МЛА. Выявлены факторы в наибольшей степени влияющие на точность и предложены способы уменьшения влияния указанных факторов.
Список литературы
1. Коротаев В.В., Краснящих А.В. Телевизионные измерительные системы. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. 108 с.
2. Елисеев А.К., Чупахин А.П., Лебедев А. А. Расчет параметров работы наземных следящих оптических видеорегистраторов для испытаний боеприпасов // Рдултовские чтения-2012: материалы Третьей Всероссийской науч.-техн. конф. / под ред. Г.В. Барбашова и И.В. Романова. СПб.: Балт. гос. техн. ун-т., 2013. 240 с.
3. Кузнецова Т.Р. Влияние точности конструктивных параметров нелинейных преобразователей на точность оценки выходной величины // Известия ТулГУ. Сер. Технические науки. Вып. 2. Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 165 - 170.
4. Аршакян А. А., Ларкин Е.В. Наблюдение целей в информационно-измерительных системах // Сборник научных трудов Шестой Всероссийской научно-практической конференции «Системы управления элек-
тротехническими объектами «СУЭТО-6». Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С.222 - 225.
5. Аршакян А. А., Ларкин Е.В. Определение соотношения «сигнал-шум» в системах видеонаблюдения // Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 3. С. 168 - 175.
6. Аршакян А. А., Ларкин Е.В. Оценка координат точечных источников сигналов // Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 2. С. 3 - 10.
7. Будков С. А., Ларкин Е.В. Определение пространственного положения рабочего органа // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 10. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 197 - 203.
8. Аршакян А. А., Будков С.Н., Кузнецова Т.Р. Точность функционирования оптико-электронных измерителей координат // Приборы и управление. Вып. 11. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 38 - 44.
9. Аршакян А.А., Клещарь С.Н., Котов В.В. Методика оценки статической передаточной характеристики сканера // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 268 - 274.
10. Аршакян А.А., Клещарь С.Н., Ларкин Е.В. Оценка статических потерь информации в сканирующих устройствах // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 388 - 395.
11. Ларкин Е.В., Акименко Т.А. Математическая модель накопления заряда в ячейке линейного фотоэлектронного преобразователя // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С.432 - 437.
12. Ларкин Е.В., Акименко Т.А., Лучанский О.А. Оценка «смаза» изображения в системе технического зрения мобильного колесного робота // Вестник РГРТУ. Рязань: РИЦ РГРТУ, 2008. С. 77 - 80.
Луцков Юрий Иванович, канд. техн. наук, доц., elarkin@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Чупахин Антон Петрович, асп., elarkin@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
VIDEO EQUIPMENT ERRORS WHEN CARRYING OUT TRAJECTORY MEASUREMENTS
Chupahin A.P., Y.I.Lutskov
Factors, influencing on the measurement accuracy in television systems of trajectory measurements are investigated. Methods of co-ordinates measurement errors evaluation of small-size flying object with the television systems, mounted on movable platform is worked out. Experience of practical operation of measuring equipment is analyzed.
Key words: trajectory measurements, measuring equipment, errors, accuracy, movable platform.
Lutskov Yuriy Ivanovich, candidate of technical science, docent, elarkin@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Chupahin Anton Petrovich, postgraduate, elarkin@mail.ru Russia, Tula, Tula State University,
УДК 623.54
ОЦЕНКА СКОРОСТИ ПОЛЕТА МАЛЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ С ПОМОЩЬЮ ВИДЕОАППАРАТУРЫ
А.П. Чупахин, М.Л. Савин
Рассмотрены подходы к обработке изображений, позволяющие оценить скорость и направление полета малого летательного аппарата при скоростной регистрации изображения. Информация основана на практическом опыте эксплуатации специальной измерительной аппаратуры.
Ключевые слова: видеоаппаратура, траекторные измерения, определение скорости, размытие изображения, следящая платформа.
Применяемая аппаратура для измерения траекторных параметров малых летательных аппаратов (МЛА) для ее правильного функционирования нуждается в точном задании априорных данных о траектории [1, 2, 3]. Например, видеоаппаратура, расположенная на следящей платформе и работающая в программном режиме, начинает движение синхронно с началом полета МЛА по закону, соответствующему заложенной расчетной траектории, регистрируя все, что находится в ее зоне видимости. Однако при небольшом несоответствии расчетных параметров реальным условиям могут происходить срывы слежения. Расчеты показывают, что отклонение вектора начальной скорости на 1° от расчетного значения приводит к изменению необходимой угловой скорости следящей платформы на величину до 14 %. Таким образом, возникает потребность оценки соответствия расчетных и практических данных непосредственно во время эксперимента, хотя бы один раз за время опыта. Подобная задача требует значительных вычислительных затрат при высоком быстродействии ЭВМ [4, 5, 6, 7], что делает актуальной разработку альтернативного способа оценки скорости по размытию изображения МЛА.
Зададим некоторые начальные условия. Средняя угловая скорость движения платформы значительно меньше угловой скорости наблюдения движущегося объекта и такова, что время экспозиции видеоаппаратуры,
