Устойчивое сопровождение наземного объекта Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 681.586.57 Бондарев В.Г.

Ставропольский технологический институт сервиса (филиал) Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса»

УСТОЙЧИВОЕ СОПРОВОЖДЕНИЕ НАЗЕМНОГО ОБЪЕКТА

Аннотация. Предложен подход к повышению устойчивости сопровождения наземных целей, обеспечивающий существенное улучшение показателей эффективности применения оружия. Подход основан на использовании системы технического зрения обеспечивающей измерение координат, как цели, так и контрастных точек земной поверхности, выполняющих роль опорных точек. При потере видимости цели опорные точки позволяют вычислить координаты цели в связанной системе координат и предотвратить срыв захвата цели.

Ключевые слова: система прицеливания, система технического зрения, цифровая фотокамера, фоточувствительная матрица, обработка изображений.

Анализ работы оптико-электронных систем прицеливания по малоконтрастным наземным целям показывает, что для них существует проблема неустойчивости режима захвата и сопровождения целей. Следствием этой проблемы является недостаточная эффективность боевых авиационных комплексов, поэтому разработка методов повышения надежности захвата и сопровождения наземной малоконтрастной цели актуальны.

Одним из возможных путей решения этой проблемы с обеспечением максимальной скрытности и высокой точности прицеливания является использование пассивных оптико-электронных средств обнаружения и сопровождения целей [1].

При одинаковой дальности действия оптико-электронные средства имеют меньшие массу и габариты. Использование же приборов, работающих в инфракрасном (ИК) диапазоне, обеспечивает всесуточное а, в определенных условиях, всепогодное применение оптических средств. Еще одним преимуществом ИК-средств сопровождения является влияние помех, как правило, только в пределах поля зрения, которое имеет ограниченные размеры (до нескольких градусов). Это способствует хорошей помехозащищенности таких систем.

Одной из наиболее приемлемых систем для решения задачи прицеливания является система технического зрения (СТЗ), которая обладает несомненным преимуществом перед моноблочными ОЭС, состоящем в объемном видении поля зрения. Поэтому рассмотрим алгоритм измерений, обеспечивающий решение задачи прицеливания посредством СТЗ.

Пусть СТЗ с идеальным расположением двух цифровых фотокамер (ФК) установлена на летательном аппарате (ЛА) и с обоих блоков снимаются оцифрованные изображения земной поверхности, на которой расположена цель. Особенность задачи состоит в том, что процесс захвата, сопровождения цели и применения по ней оружия процесс продолжительный, который не должен нарушаться даже кратковременным исчезновением цели. Поэтому целью этой статьи является описание способа аналитического определения координат цели в случае ее исчезновения из поля зрения и замена измеренных координат цели вычисленными, что обеспечит непрерывность процесса захват - сопровождение -применение оружия.

Сопровождение неподвижной точки земной поверхности.

Пусть посредством обработки изображений земной поверхности на фоточувствительных матрицах обоих ФК найдены три оптически контрастные точки Mi, М2, М3, не лежащие на одной прямой, в дальнейшем они будут играть роль привязки к земле относительно которых определяются координаты цели [2] . В окрестности точек привязки находится оптически контрастная точка М4 - цель. Если хотя бы в один момент времени все четыре точки идентифицируются на изображениях земной поверхности, снимаемых с фоточувствительных матриц, то решается геометрическая задача определения координат цели М4 относительно точек Mi, М2, М3, когда цель исчезает с изображений (например: по причине задымления поля боя; изменения ракурса цели; перекрытия элементами рельефа местности, строениями и т. д.) ее новые координаты в системе координат связанной с ЛА определяются по новым координатам точек привязки в предположении, что цель не изменила своего положения относительно точек М1, М2, М3, которые должны быть видимы в течении всего процесса захват -сопровождение - применение оружия.

Рассмотрим геометрические соотношения, описывающие процесс измерения координат точки М4 при исчезновении ее на изображениях земной поверхности после первого измерения по координатам идентичных точек М1, М2, М3.

На рисунке 1 показано расположение элементов цифровых фотокамер, система координат OXYZ, связанная с летательным аппаратом, система координат X(1)Y(1)Z(1), связанная c тремя точками М1, М2, М3 на земной поверхности (начало координат совпадает с точкой М1, ось X(1) - с прямой М1М2, ось Z(1) - с нормалью к плоскости М1М2М3, ось Y(1) - лежит в плоскости М1М2М3 и образует правую

систему координат, V 4 - вектор скорости точки М4.

Пусть в последовательные моменты времени с помощью СТЗ измеряются координаты точек М1, М2, М3, причем эти моменты совпадают с фотоэкспозициями фотокамер. Необходимо определить координаты малоконтрастных целей во второй момент времени, считая ее координаты в первый момент времени известными.

Координаты точек Моу определим посредством следующих соотношений,

F е

-+1),

г - в

1 м, — _ _

в

Z

Ли

B . %1Ли + Z2 Ли 2 %1Ли _ Z2Ли

где Yuxu, Zuxu - координаты изображения точки на первой и второй фоточувствительных матрицах, ц = 1, 2 - номер фоточувствительной матрицы, А = 1, 2,..., А - номер момента времени когда точка М4 видна (с момента времени <г>Л считаем, что точка М4 не видна), и = 1.4 - номер точки

Мхи.

Определим вектор СМ4 , образованный следом точки М4 (точка С) на плоскости М1, М2, М3 и самой точкой М4.

Вектор нормали Ыл (в X момент времени) к плоскости М1, М2, М3 найдем как векторное произведение векторов М1М2 и М2М3

=л кл

Nu = ХмЛ1 ~ ХмЛ2 УМЛ1 - УМл2 Z -л ЛМЛ1 Z МЛ2

ХМЛ2 ~ Хмлз УМЛ2 Умлз Z -л Z МЛ2 ЛМЛ3

Длина вектора СМ4 определяется как проекция вектора МХМ4 на единичный вектор нормали

N л

N л|

и выражается через скалярное произведение

,м = Nux (ХМл1 ~ ХМл4) + Хлу (ГМя - УМл,) + NfZ (ZMf ~ ZMM)

InJ ” ”

|СМ 4 = Nf- МлМ Л4 =-

Хлх + N2 + N2

где координаты вектора нормали Nf в момент времени А выражаются следующим образом: NfX = (УМл - УМл2 )(ZMf2 - ZMf ) - (УМл2 - УМлз )(ZMf - ZMj2 ) ,

NfY = (ХМл2 - ХМлз )УМл - УМл2 ) - УХМл - ХМл2 )(УМл2 ~ УМлз ) ,

NЛЛ = (ХМл1 - ХМл2 )(УМл2 - УМлз ) - (ХМл2 - ХМлз УУм^ ~ УМл2 ) ,

\NJ = ^N2ax + N]y + N2

А

в момент времени с номером А

,■(1) = (ХМл1 ХМл2')1л+ (УМл1 УМл2Ул+ (2МЛ1 2Мл2)кл

Л МЛ1МЛ2|

k(!) = Nл = NЛХ1 л + NXrJg + NЛЛкЛ ( 2 )

л Ы : ~ ’

(1)

ФЛх+nJy+nJz

Л = Л х л =

И' МлМ Л21

Хм1 ХМЛ2

N,r

л

у — у

МЛЛ МЛ2

N

7 — 7

Z^1 ЛМЛ2

N

(УМл1 УMil)NЛZ (ZМл, ZMil)NЛУ , . (лМд лМл2)хЛХ (ХМл1 ХМл2)ХЛЛ ,

- = I— I I--= = + ]Л I— I I--= i +

(ZМ„ ZМ„ )NfX (ХМ„ ХМ„ N

N4K11

(Хм„ -Хм„ )Njy-(Ум„ -Умл )Nл

|Na|'

,М,

|nJ- Мл

М,

(3)

где

МлМл2 = 4{ХМ1 -ХМЛ2 )2 + (УМЛ1 -УМЛ2 )2 + (2мл-ЛМл2 )2

(1) V(D 7 (1)

Координаты точки М4 в моменты времени А в системе X( )Y( )Z ММ4 на орты У,/1\kf .

найдем как проекции вектора

ХМл4 = —f ' МЛ1МЛ4 -

(ХМл ~ ХМл4 )(ХМл1 - ХМл2 ) + (УМл1 - УМл4 )(УМл1 - УМл2 ) + (ZMf - ZMf4 )(ZM» - ZMf2 )

;(1).

ХМл1 ХМл2^ + (УМЛ1 УМл2) + (ZMf1 ZMЛ2 )2

-Л' МлМ л

(УМл1 УМл2 )NЛЛ (ZMf ZМл2 )NvY , ,л лл л ,

I (ХМл1 ~ХМл4 ) +

1Л1М Л21

(ZMf1 - ZМл2 )Nf (ХМЛ1 ХМЛ2 ) NЛл ,

фл|- 'Мл

И' Мл1М л\

(УМ„ УМ,„ ) + ,

,(ХМл1 ХМл2)ЫЛ (УМл1 yMf2)Nf

+ |Nf-[MfM л,\

ЛМ„2 = Л -ММ4 =

NЛX(XM„ ХМ) + NfY(yM„ УМ) + Nлл (ZM„ ZM)

ф

N iy + ЯЛу + Nf

которые определяются по формулам (1), (2), (3), при этом используются результаты измерений координат наблюдаемых точек М1, М2, М3 в а момент времени. Поскольку при &>А точка М4 не видна, то длины векторов N& и МхМг используются по результатам вычислений в момент времени Л = Л , поскольку они неизменны.

Суммируем с вектором ОМ 1 вектор МХМ4 , при этом учтем, что координаты последнего в системе X(1)y(1)z(1) остались неизменными и для а>Л

м*4 = Ма+хМ■„ а + yML а + z

7(1) k(D

Ц\14 ka

Проецируя этот вектор на орты системы координат XYZ в момент времени а>Л получим его координаты

v —у , /у(1) тл(1) Al) , 7(1) ^(1)'\.y /л)

ХМо4 ХМо\ + (Мл14 1—7 + *МлУа + ЛМЛ14) 1—7 ,(4)

У = У + ((1) /(1) + У(1) /(1) + Z(1) k(1)^* j

УМ_4 = УМа1 + (МЛ14 7 + ^Мл14+ ЛМЛ14 К<7 ) J<7 '

Выразим единичные орты системы координат X(1)Y(1)Z(1

k

л

л

(1)

Л14

Найдем выражения для единичных ортов системы координат x(1)Y(1)Z(1) в момент времени 7>Л ,

(5)

(6)

7 + (у(1) f(1) + Y(1) j(1) + 7(1) ()■к

"Ма\ + ^ЛМЛ14( + 1М( ( + 7Му КС ) К<Г

Выпишем скалярные произведения ортов, необходимые для получения окончательного вида последних уравнений

■ .-(1)= XM,

a1M о-21

M„-

_ .(1) (YM„1 YM„2Wv7 (ZMm 7M

fa ' J a

,■ j (1) YMa1 YMa2

Ja'a_'-fM ,\

) NaY

|Na|MaMa21

^ ^-(1) (7Ma1 7MMWgX (XMg1 XMg2)NgZ

И KaMa2|

, .(1) (XMa1 ~XMa2 )NaY- (YMa1 - YM,2 )NaX

ka J a

K| Ya№a\

k (1) _ NaX

'a ITT I

Na

aY

j ■ к (1 _ N j a \Na

■ f(1) _ 7Ma1 Zm

Ma

ka■ a _ Nf-

Na

Запишем в окончательном виде выражения (4), (5), (6) с учетом скалярных произведений ортов

получим выражения для координат цели в связанной системе координат

Xм . _ Xu, + X((1

К . _ М. + X (1

XMa1 XMa2

Ma

+ Y(I

+ Y ЛЛ

(M - M, )NaZ - (7M„, - 7M„, )Na

N,

¥a

+ 7 (1) N^

7“Л14 Na

YMl- Y

m,

Ma

O2 i ТА1 I + 1 \4

(Z^ - 7M„„ )NaX - (XM„, - XM„ )Na

La\MaT.\

7Ы, - Z,

+ X (1

Na

M

■+ Z(1

+ 7 \л

,1 a-Л

NaY 1N a

Ma1 a

'fX + Y (1) (XM,1 XMf2 )NaY (YM,1 YM,2 )NaX + 7 (1) Nf_

1 + Y 'Л14 ||^-T7 I + 7МЛ14 |NJ

\Na\Ma1al\

Таким образом, решение задачи об определении координат неподвижной относительно земли малоконтрастной цели основано на измерении координат изображений трех точек привязки и цели в первый момент времени, определении координат мерцающей точки относительно земной поверхности, измерении координат изображений трех точек привязки во второй момент времени и вычислении на основе этих измерений координат цели во второй момент времени (когда точка невидима) в системе координат, связанной с летательным аппаратом.

Л14

Л14

Л14

Л14

7М„л _ 7М

Л14

ЛИТЕРАТУРА

1. Гришин В.А. Системы технического зрения в решении задач управления беспилотными летательными аппаратами // Датчики и системы. - 2009. №2.

2. Пат. 2383032 Российская Федерация, МПК7 G 01s 11/00. Способ измерения координат мерцающей точки земной поверхности и устройство для его осуществления [Текст] / Бондарев В.В., Бондарев В.Г., Бондарев М.В. ; заявитель и патентообладатель авторы. - № 20008122172/09 ; заявл. 02.06.08. ; опубл. 27.02.10, Бюл. №15 - 4 с. : ил.