Способ определения расстояния от летательного аппарата до вектора относительной скорости препятствия и устройство для его осуществления

Изобретение относится к авиации, а именно к прогнозированию возможности столкновения (облета) летательного аппарата с препятствием. Технический результат изобретения достигается за счет определения координат препятствия относительно летательного аппарата в два момента времени, которое осуществляют с помощью двух разнесенных матричных фотоприемников. По координатам препятствия определяют вектор относительной скорости препятствия и кратчайшее расстояние от летательного аппарата до прямой, определяемой вектором относительной скорости препятствия, что позволяет прогнозировать возможность облета препятствия или столкновения с препятствием. Устройство, реализующее способ, содержит соединенные определенным образом между собой два разнесенных идентичных объектива с фотоматрицами, вычислитель, включающий модуль анализа изображений препятствия и модуль анализа условия облета препятствия или столкновения с препятствием. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к авиации и предназначено для определения расстояния от летательного аппарата до прямой, определяемой вектором относительной скорости препятствия в полете, которое служит для предотвращения столкновения с другими ЛА и птицами.

Известен способ определения расстояния между воздушными судами, реализованный в устройстве, описанном в патенте на изобретение РФ №2256195, которое служит для предотвращения столкновения воздушных судов и повышения безопасности полетов за счет определения истинного расстояния между воздушными судами с учетом высот их полета, которое определяется по формуле

где a₁, h₁, d₁ - азимут, высота и наклонная дальность первого ЛА;

а₂, h₂, d₂ - азимут, высота и наклонная дальность второго ЛА.

Недостатками этого способа определения расстояния между воздушными судами являются значительное количество оборудования, используемого для определения расстояния, что снижает надежность системы в целом при ее технической реализации, не высокая точность, обусловленная применением радиолокационных измерительных средств, а также использование расстояния между самолетами в качестве параметра, определяющего возможность столкновения. Уменьшение относительного расстояния не может быть однозначным признаком приближающегося столкновения, поскольку траектории ЛА могут быть перекрещивающимися и даже пересекающимися, но столкновения при этом может и не быть.

Известны устройства локации источников излучения, размещаемых на подвижных объектах, например патенты RU 2275652 С2, US 4193689, №4209254; GB 2002986 A, №1520154. Эти устройства содержат размещенные на подвижном объекте реперные источники (РИ) излучения, а на неподвижном объекте - два или более фотоприемных оптико-локационных блока, определяющих углы-пеленги реперных источников, и блоки определения координат РИ излучения и ориентации подвижного объекта.

В указанных устройствах реализуется следующая последовательность действий:

- определяют сигналы, соответствующие положению изображения РИ в плоскости матричного фотодетектора;

- по полученным сигналам с учетом фокусного расстояния оптической схемы формирователя изображения РИ определяют углы-пеленги каждого РИ подвижного объекта;

- на основании данных углов-пеленгов с учетом известного расстояния между точками определения углов-пеленгов определяют координаты РИ.

Наиболее близким к изобретению является устройство, описанное в книге «Техническое зрение роботов» под общей редакцией д-ра т.н. Ю.Г.Якушенкова, - М.: Машиностроение, 1990 г., стр.168, содержащее разнесенные объективы с фотоматрицами в их фокальных плоскостях и вычислитель, содержащий модуль программной обработки изображений, обеспечивающий нахождение идентичных точек, по координатам которых находят дальность до объекта.

Недостаток этого устройства состоит в том, что измеряемая с его помощью дальность до объекта не может быть использована для решения задачи достоверного прогнозирования столкновения с препятствием.

Задачей предлагаемых способа и устройства является улучшение своевременности и достоверности прогноза столкновения с препятствием за счет использования в качестве критерия - пересечение вектора относительной скорости сближения летательного аппарата и препятствия с сферой радиуса

R_о=R_{о ЛА}+R_{о ПР},

где R_о - кратчайшее расстояние от центра ЛА до вектора относительной скорости сближения ЛА и препятствия;

R_{о ЛА} - радиус сферы, в которую вписан ЛА;

R_{о ПР} - радиус сферы, в которую вписано препятствие (характерный радиус препятствия).

Решение технической задачи состоит в том, что в способе определения расстояния от летательного аппарата до вектора относительной скорости препятствия, основанном на определении истинного расстояния между летательным аппаратом и препятствием, для измерения относительного положения препятствия осуществляют обработку изображений препятствия, а именно определяют характерный радиус препятствия, определяют координаты его идентичной точки на фотоматрицах, установленных на летательном аппарате, и определяют координаты и расстояние до препятствия, а затем определяют расстояние от летательного аппарата до прямой, определяемой вектором относительной скорости препятствия, и проверяют условие достаточной удаленности этой прямой от летательного аппарата, которое служит критерием для принятия решения о возможности столкновения с препятствием.

В устройстве, реализующем заявляемый способ, содержащем два разнесенных объектива с фотоматрицами, размещенными в фокальных плоскостях объективов, соединенные с вычислителем, включающим модуль обработки изображения препятствия, в вычислителе, содержащем модуль обработки изображений препятствия, где дополнительно определяют характерный радиус препятствия, координаты идентичной точки препятствия на фотоматрицах, модуль анализа условия облета или столкновения препятствия, где вычисляют значения координат местоположения препятствия относительно летательного аппарата и расстояния между ними в два момента времени, определяют расстояние от летательного аппарата до прямой, задаваемой вектором относительной скорости препятствия, и непрерывно проверяют выполнение условия облета или столкновения препятствия, при этом модуль обработки изображения препятствия своим входом связан с выходами фотоматриц, а своим выходом связан с входом модуля анализа условия облета или столкновения препятствия.

На фиг.1 показана схема размещения фотоматриц в процессе определения местоположения препятствия относительно ЛА, на фиг.2 - структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Способ реализуется следующим образом. Прямоугольная система координат OXYZ связана с подвижным объектом. Система координат О_лY_лZ_л, начало которой совпадает с геометрическим центром фотоматрицы ФМ1 и фокусом объектива, оптический центр которого находится в точке L_л. Система координат O_пY_пZ_п, начало которой совпадает с геометрическим центром фотоматрицы ФМ2 и фокусом объектива, оптический центр которого находится в точке L_п. Идентичная точка препятствия находится в точке Р. Центры фотоматриц расположены на оси OZ и равноудалены от начала координат О.

Изображения точки Р на фотоматрицах ФМ1 и ФМ2 - точки S_л и S_п соответственно, строят в соответствии с законами геометрической оптики. Точки S_л и S_п являются точками пересечения прямых PL_л и PL_п с плоскостями О_лY_лZ_л и O_пY_пZ_п, в которых расположены фоточувствительные поверхности фотоматриц ФМ1 и ФМ2. Точка L расположена на оси ОХ, причем OL=F. Точка R лежит на пересечении прямой PL с плоскостью OYZ. Точка N является проекцией точки Р на плоскость OYZ.

Для определения координат точки Р выражаются векторы S_лР и S_пP, для этого используется подобие пар треугольников L_лS_лO_л, PS_лN и L_пS_пO_п, PS_пN:

где P_х - проекция вектора S_лР либо S_пP на ось ОХ, равная PN; F=О_лL_л=O_пL_п - фокусное расстояние объектива телекамеры; i, j, k - единичные орты; Y₁, Z₁ и Y₂, Z₂ - координаты изображений точки Р на фотоматрицах ФМ1 и ФМ2 соответственно, определяемые в модуле обработки изображения препятствия.

Находится вектор RP

Из треугольника PS_лS_п выражается известное расстояние между фотоматрицами В, равное модулю вектора S_лS_п

S_лP-S_пP=S_лS_п.

Подставляя выражения для векторов S_лР и S_пP в последнее равенство, определяется

Отсюда выражается квадрат модуля вектора S_лS_п

и вычисляется координата х вектора RP

Остальные координаты вектора RP выражаются из соотношения (1)

Расстояние S до препятствия вычисляется по известной формуле

Для определения параметров относительного движения препятствия производится два измерения его координат, тогда относительная скорость находится как отношение приращений координат и времени между моментами измерений:

где V_отн - относительная скорость препятствия, t_ст - время до столкновения с препятствием в предположении, что скорость постоянна.

Записывается уравнение прямой, проходящей через две точки Р_i и P_i+1, в которых препятствие находилось в моменты времени t_i и t_i+1,

где x₀, у₀, z₀ - координаты точки Р_i, x₁, y₁, z₁ - координаты точки P_i+1.

Записывают уравнение плоскости, перпендикулярной этой прямой, как условие перпендикулярности вектора (х₁-x₀, y₁-y₀, z₁-z₀), лежащего на прямой, и произвольного вектора (х, у, z), лежащего в плоскости.

х(х₁-x₀)+у(у₁-у₀)+z(z₁-z₀)=0.

Путем решения двух последних уравнений относительно х, у, z находят координаты точки пересечения прямой и плоскости, длина радиус-вектора этой точки и есть наименьшее расстояние S₀ от начала координат до прямой.

Приводят уравнения к следующему виду:

Систему линейных алгебраических уравнений решают методом Крамера. Для этого записывают главный и вспомогательные определители:

Искомые координаты точки пересечения прямой и плоскости вычисляют по соотношениям:

Расстояние до прямой вычисляют по известной формуле:

Условие облета (столкновения) препятствия при прямолинейном равномерном его движении выражают в виде неравенства

Устройство, реализующее способ, содержит блок приемников изображений препятствия 1, включающий первый объектив 3 и первую фотоматрицу 4, второй объектив 5 и вторую фотоматрицу 6, вычислитель 2, включающий в себя модуль анализа изображений препятствия 7 и модуль анализа условия облета или столкновения 8.

Устройство работает следующим образом.

Изображения препятствия проецируются первым и вторым объективами 3, 5 на первой и второй фотоматрицах 4, 6 соответственно. Модуль анализа изображений препятствия 7 определяет координаты идентичных точек изображений препятствия, характерный радиус препятствия, которые поступают в модуль анализа условия облета или столкновения препятствия 8, где производится вычисление местоположения препятствия относительно подвижного объекта - координат Р_х, Р_у, P_z и дальности S согласно выражениям (2), (3) и (4), расстояния от летательного аппарата до прямой, определяемой вектором относительной скорости препятствия R₀, согласно выражению (7) и проверка условия облета или столкновения препятствия (8).

Указанное утверждение в отношении повышения точности определения перечисленных параметров достигается за счет использования прецизионных датчиков информации, достоверность и своевременность прогноза столкновения достигается посредством применения в качестве критерия приближающегося столкновения пересечения вектора относительной скорости сближения летательного аппарата и препятствия с сферой радиуса

R_о=R_{о ЛА}+R_{о ПР}.

Источники информации

1. Патент РФ на изобретение №2256195, кл. G01S 13/93, опубл. 10.07.2005, бюл.19 (прототип на способ).

2. Техническое зрение роботов. Под общ. ред. Ю.Г.Якушенкова. - М.: Машиностроение, 1990. - C.168.

1. Способ определения расстояния от летательного аппарата до вектора относительной скорости препятствия, основанный на определении истинного расстояния между летательным аппаратом и препятствием, отличающийся тем, что для измерения относительного положения препятствия осуществляют обработку изображений препятствия, а именно определяют характерный радиус препятствия, определяют координаты его идентичной точки на фотоматрицах, установленных на летательном аппарате и определяют координаты и расстояние до препятствия, а затем определяют расстояние от летательного аппарата до прямой, определяемой вектором относительной скорости препятствия и проверяют условие достаточной удаленности этой прямой от летательного аппарата, которое служит критерием для принятия решения о возможности столкновения с препятствием.

2. Устройство для определения расстояния от летательного аппарата до вектора относительной скорости препятствия, содержащее два разнесенных объектива с фотоматрицами, размещенными в фокальных плоскостях объективов, соединенные с вычислителем, включающем модуль обработки изображения препятствия, отличающееся тем, что в вычислителе, содержащем модуль обработки изображений препятствия, где дополнительно определяют характерный радиус препятствия, координаты идентичной точки препятствия на фотоматрицах, модуль анализа условия облета препятствия или столкновения с препятствием, где вычисляют значения координат местоположения препятствия относительно летательного аппарата и расстояния между ними в два момента времени, определяют расстояние от летательного аппарата до прямой, задаваемой вектором относительной скорости препятствия и непрерывно проверяют выполнение условия облета препятствия или столкновения с препятствием, при этом модуль обработки изображения препятствия своим входом связан с выходами фотоматриц, а своим выходом связан с входом модуля анализа условия облета препятствия или столкновения с препятствием.