RU2626017C1 - Способ навигации подвижного объекта - Google Patents
Способ навигации подвижного объекта Download PDFInfo
- Publication number
- RU2626017C1 RU2626017C1 RU2016130484A RU2016130484A RU2626017C1 RU 2626017 C1 RU2626017 C1 RU 2626017C1 RU 2016130484 A RU2016130484 A RU 2016130484A RU 2016130484 A RU2016130484 A RU 2016130484A RU 2626017 C1 RU2626017 C1 RU 2626017C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- earth
- moving object
- coordinates
- angular
- images
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
- G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
- G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
- G01S13/52—Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds
-
- 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
- G01S13/93—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к навигации и предназначено для счисления координат (определения пространственного перемещения) подвижного объекта относительно земли. Достигаемый технический результат – автоматизация измерения параметров пространственного (углового и линейного) перемещения подвижного объекта в условиях видимости земной поверхности. Указанный результат достигается за счет того, что осуществляют последовательное фотоэкспонирование земной поверхности фотокамерами стереопары, установленной на подвижном объекте, выделяют на изображении каждой фотокамеры по меньшей мере три особые точки земной поверхности, изображение которых можно устойчиво отличить от изображения всех соседних точек, вычисляют их координаты в связанной системе координат, определяют угловое и линейное перемещение подвижного объекта относительно земной поверхности за временной интервал между двумя фотоэкспозициями, определяют угловое и линейное перемещение подвижного объекта за время движения и, определяют текущие координаты местоположения, что обеспечивает возможность навигации при обеспечении видимости земной поверхности. 2 ил.
Description
Изобретение относится к навигации и предназначено для счисления координат (определения пространственного перемещения) подвижного объекта относительно земли. Может использоваться как для автономной работы, так и для работы в комплексе с другими навигационными системами.
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.
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 GB №2002986 А, опубл. 28.02.1979.
Недостатком описанного аналога является использование реперных источников с известным расположением на подвижном объекте, а также определение только ориентации подвижного объекта при неизвестном местоположении.
Известен наиболее близкий к заявляемому изобретению способ определения местоположения и угловой ориентации летательного аппарата относительно ВПП, основанный на приеме излучения трех наземных лазерных маяков, установленного на борту ЛА и системы (световых контрастов), описанный в патенте на изобретение RU №2347240, опубл. 20.02.2009. Определяют координаты изображений лазерных маяков на фоточувствительной матрице, а затем вычисляют координаты и угловое положение ЛА относительно ВПП.
Недостатком этого способа является использование наземных источников излучения с известными координатами, что лишает систему автономности.
Технический результат изобретения достигается тем, что в способе навигации подвижного объекта, основанном на фотоэкспонировании земной поверхности фотокамерой, обработке их оцифрованного изображения и вычислении координат местоположения подвижного объекта, осуществляют последовательное фотоэкспонирование земной поверхности фотокамерами стереопары, установленной на подвижном объекте, путем программной обработки изображений земной поверхности выделяют на каждой паре двух последовательных изображений группу, по меньшей мере, из трех особых точек, изображение которых можно устойчиво отличать от изображений всех соседних точек, причем особые точки не лежат на одной прямой, вычисляют их координаты в связанной системе координат, определяют угловое и линейное перемещение подвижного объекта относительно земной поверхности за интервал времени между двумя фотоэкспозициями, определяют угловое и линейное перемещение подвижного объекта за время движения, а также текущие координаты местоположения посредством учета его начального положения
Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют последовательное фотоэкспонирование земной поверхности фотокамерами стереопары, установленной на подвижном объекте, путем программной обработки изображений земной поверхности выделяют на каждой паре двух последовательных изображений группу, по меньшей мере, из трех особых точек, изображение которых можно устойчиво отличать от изображений всех соседних точек, причем особые точки не лежат на одной прямой, вычисляют их координаты в связанной системе координат, определяют угловое и линейное перемещение подвижного объекта относительно земной поверхности за интервал времени между двумя фотоэкспозициями, определяют угловое и линейное перемещение подвижного объекта за время движения, а также текущие координаты местоположения посредством учета его начального положения
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 показаны схема измерения посредством стереопары, которая включает в себя две фотокамеры с параллельными оптическими осями, в процессе определения пространственного перемещения подвижного объекта и группа из трех особых точек Pn,m (индекс n=1, 2, 3, … - номер особой точки). Здесь прямоугольная система координат O(m)X(m)Y(m)Z(m), связана с подвижным объектом в m-м пространственном положении (в m-й момент времени), фотоматрицы ФМ1, ФМ2 цифровых фотокамер стереопары расположены в плоскости O(m)Y(m)Z(m), а оптические оси объективов параллельны оси O(m)X(m). Центры фотоматриц O1,m (О2,m) расположены симметрично относительно начала координат Om (Om+1 - его положение в m+1-й момент времени) на расстояниях В/2. Системы координат O1,mY1,mZ1,m и O2,mY2,mZ2,m лежат в плоскости фотоматриц, причем оси O1,mY1,m и O2,mY2,m параллельны оси O(m)Y(m), а оси O1,mZ1,m и O2,mZ2,m совпадают с осью O(m)Z(m). В точках L1 и L2 располагаются геометрические центры объективов левой и правой фотокамер, формирующих оптические изображения S1m и S2m особой точки земной поверхности Pn,m, а в следующий момент времени - S1m+1 и S2m+1.
На фиг. 2 показана последовательность изображений групп из трех особых точек на первой и второй фотоматрицах стереопары (ФМ1 и ФМ2). Причем для m-го m+1-го изображений выбирается группа особых точек (объединенных сплошной вогнутой линией) Р1,m, Р2,m, Р3,m, (Р1,m+1, Р2,m+1, Р3,m+1), а для m+1-го и m+2-го изображений выбирается группа особых точек (объединенных пунктирной выпуклой линией) P1,m+1, P2,m+1, P4,m+1 (P1,m+2, P2,m+2, P4,m+2), поскольку особая точка Р3,m+2 вышла за пределы фотоматрицы ФМ2.
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 методами, описанными в статье Девятериков Е.А. Визуальный одометр / Девятериков Е.А., Михайлов Б.Б. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. "Приборостроение". 2012. С. 68-82, например, методом ускоренной проверки сегментов (FAST) яркости точек, образующих окружность заданного радиуса.
Определение координат Y1n,m, Z1n,m, Y2n,m, Z2n,m изображений трех особых точек на фотоматрицах из положений в моменты времени m-й фотоэкспозиции обеспечивает вычисление координат , , n-й особой точки Pn,m относительно подвижного объекта в связанной системе координат по следующим формулам:
где Yln,m, Zln,m, Y2n,m, Z2n,m - координаты изображений особых точек Pn,m на фоточувствительных матрицах, первый индекс обозначает номер фоточувствительной матрицы; F - фокусное расстояние фотообъектива; В - расстояние между первой и второй фотокамерами.
Положение системы координат O(m+1)Х(m+1)Y(m+1)Z(m+1), связанной с подвижным объектом, относительно ее предыдущего положения O(m)X(m)Y(m)Z(m) задается вектором смещения начала координат , а изменение углового положения системы O(m)X(m)Y(m)Z(m) - матрицей направляющих косинусов
где βm, φm, αm - углы последовательных разворотов подвижного объекта вокруг осей O(m)Y(m), O(m)Z(m), O(m)Х(m) соответственно за время между двумя последовательными фотоэкспозициями.
Запишем соотношение, связывающее измеряемые векторы
где - вектор с началом в точке O(m), а конец в точке Pn,m, отсчитанный в системе координат O(m)X(m)Y(m)Z(m), а также очевидное векторное равенство, связывающее m и m+1 экспозиции
Поскольку вектор измерить невозможно (методом прямых измерений), то для того чтобы воспользоваться равенством (3), необходимо выразить этот вектор в проекциях на оси системы координат O(m+1)X(m+l)Y(m+1)Z(m+l), получим
Полученное соотношение содержит шесть неизвестных величин βm, φm, αm, , , , а также векторы 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.
Чтобы избежать этого, найдем аналитическое решение задачи. Применим соотношение (4) для трех особых точек земной поверхности, на положение которых накладывается следующее условие, они образуют треугольник ненулевой площади (не лежат на одной прямой):
Вычитая из второго соотношения первое, а из третьего второе, получим
Запишем также соотношение, описывающее преобразование координат вектора, равного векторному произведению этих векторов, поскольку для нашей цели необходим вектор, не являющийся линейной комбинацией выбранных векторов
Три последних соотношения используем для записи матричного соотношения, в котором матрицы-столбцы занимают место столбцов в блочных матрицах, такая запись следует из правила умножения матриц
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
Поскольку все координаты векторов в выражении матрицы (Am) непосредственно измеряются с помощью СТЗ в моменты m и m+1 экспозиций, то соотношение (6) используется для вычисления углового перемещения подвижного объекта относительно земной поверхности за интервал времени между двумя фотоэкспозициями. Для определения вектора линейного перемещения подвижного объектавоспользуемся соотношением (5) при 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
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
где
Задача определения начального положения подвижного объекта в навигации известна как начальная выставка системы, для ее осуществления используется несколько методов, в том числе метод, описанный в патенте на изобретение RU №2347240, опубл. 20.02.2009, с использованием бортовой цифровой фотокамеры и трех наземных лазерных маяков.
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 формулам:
где a ij - элементы матрицы направляющих косинусов вида (9), определяемые текущими углами крена, курса и тангажа подвижного объекта.
Таким образом, решение задачи об определении поступательного и углового перемещения подвижного объекта относительно земли основано на измерении координат изображений по крайней мере трех особых точек земной поверхности, фотоэкспозиция которых осуществляется из последовательных точек траектории и вычислении на основе этих измерений его пространственного перемещения. Отличие такого подхода от упомянутого в статье Девятериков Е.А. Визуальный одометр / Девятериков Е.А., Михайлов Б.Б. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. "Приборостроение". 2012. С. 68-82, состоит в счислении угловых и линейных координат местоположения подвижного объекта, а не пройденного пути и угла курса.
Claims (1)
- Способ навигации подвижного объекта, основанный на фотоэкспонировании земной поверхности фотокамерой, обработке их оцифрованного изображения и вычислении координат местоположения подвижного объекта, отличающийся тем, что осуществляют последовательное фотоэкспонирование земной поверхности фотокамерами стереопары, установленной на подвижном объекте, путем программной обработки изображений земной поверхности выделяют на каждой паре двух последовательных изображений группу по меньшей мере из трех особых точек, изображение которых можно устойчиво отличать от изображений всех соседних точек, причем особые точки не лежат на одной прямой, вычисляют их координаты в связанной системе координат, определяют угловое и линейное перемещение подвижного объекта относительно земной поверхности за интервал времени между двумя фотоэкспозициями, определяют угловое и линейное перемещение подвижного объекта за время движения и определяют текущие координаты местоположения посредством учета его начального положения.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016130484A RU2626017C1 (ru) | 2016-07-25 | 2016-07-25 | Способ навигации подвижного объекта |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016130484A RU2626017C1 (ru) | 2016-07-25 | 2016-07-25 | Способ навигации подвижного объекта |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2626017C1 true RU2626017C1 (ru) | 2017-07-21 |
Family
ID=59495694
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016130484A RU2626017C1 (ru) | 2016-07-25 | 2016-07-25 | Способ навигации подвижного объекта |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2626017C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2706444C1 (ru) * | 2018-05-21 | 2019-11-19 | 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 | Способ локальной навигации подвижного объекта |
RU2758285C1 (ru) * | 2021-01-11 | 2021-10-28 | 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 | Способ групповой видеонавигации летательных аппаратов |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2130622C1 (ru) * | 1997-12-19 | 1999-05-20 | Военный инженерно-космический университет им. А.Ф.Можайского | Способ групповой навигации движущихся объектов |
US6411896B1 (en) * | 1999-10-04 | 2002-06-25 | Navigation Technologies Corp. | Method and system for providing warnings to drivers of vehicles about slow-moving, fast-moving, or stationary objects located around the vehicles |
EP1708150A2 (en) * | 2005-03-30 | 2006-10-04 | Hitachi, Ltd. | System and method for providing information of states of movement of moving objects, a location data collection system, and a car navigation system |
RU2340874C1 (ru) * | 2007-06-07 | 2008-12-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова" | Способ навигации летательных аппаратов |
RU2347240C2 (ru) * | 2007-04-23 | 2009-02-20 | Василий Иванович Конотоп | Способ определения местоположения и углов ориентации летательного аппарата относительно взлетно-посадочной полосы и устройство для его осуществления |
JP2014157093A (ja) * | 2013-02-15 | 2014-08-28 | Aisin Aw Co Ltd | ナビゲーションシステム、ナビゲーション方法、及びナビゲーションプログラム |
RU2559820C1 (ru) * | 2014-06-30 | 2015-08-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Способ навигации движущихся объектов |
-
2016
- 2016-07-25 RU RU2016130484A patent/RU2626017C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2130622C1 (ru) * | 1997-12-19 | 1999-05-20 | Военный инженерно-космический университет им. А.Ф.Можайского | Способ групповой навигации движущихся объектов |
US6411896B1 (en) * | 1999-10-04 | 2002-06-25 | Navigation Technologies Corp. | Method and system for providing warnings to drivers of vehicles about slow-moving, fast-moving, or stationary objects located around the vehicles |
EP1708150A2 (en) * | 2005-03-30 | 2006-10-04 | Hitachi, Ltd. | System and method for providing information of states of movement of moving objects, a location data collection system, and a car navigation system |
RU2347240C2 (ru) * | 2007-04-23 | 2009-02-20 | Василий Иванович Конотоп | Способ определения местоположения и углов ориентации летательного аппарата относительно взлетно-посадочной полосы и устройство для его осуществления |
RU2340874C1 (ru) * | 2007-06-07 | 2008-12-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова" | Способ навигации летательных аппаратов |
JP2014157093A (ja) * | 2013-02-15 | 2014-08-28 | Aisin Aw Co Ltd | ナビゲーションシステム、ナビゲーション方法、及びナビゲーションプログラム |
RU2559820C1 (ru) * | 2014-06-30 | 2015-08-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Способ навигации движущихся объектов |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2706444C1 (ru) * | 2018-05-21 | 2019-11-19 | 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 | Способ локальной навигации подвижного объекта |
RU2758285C1 (ru) * | 2021-01-11 | 2021-10-28 | 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 | Способ групповой видеонавигации летательных аппаратов |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108802043B (zh) | 隧道检测装置、检测***及隧道病害信息提取方法 | |
Malowany et al. | Multi-camera digital image correlation method with distributed fields of view | |
US20120257792A1 (en) | Method for Geo-Referencing An Imaged Area | |
CN106043355A (zh) | 一种铁路检测车沉降和位姿的高精度摄像测量方法 | |
CN108510546B (zh) | 一种适用于图谱及结构信息同步探测***的相机标定方法 | |
Wang et al. | Modeling of binocular stereo vision for remote coordinate measurement and fast calibration | |
CN101900531A (zh) | 双目视觉位移测量误差的测算方法及测量*** | |
RU2626017C1 (ru) | Способ навигации подвижного объекта | |
CN101963500A (zh) | 计算机视觉大尺度测距方法及用于其实施的便携式测距仪 | |
Yang et al. | Precise levelling in crossing river over 5 km using total station and GNSS | |
CN108168472A (zh) | 一种卫星天线展开平面度和指向精度的测量方法及装置 | |
CN102607563B (zh) | 利用背景天文信息对于航天器进行相对导航的*** | |
RU2519512C1 (ru) | Устройство измерения угловых и линейных координат объекта | |
RU2758285C1 (ru) | Способ групповой видеонавигации летательных аппаратов | |
RU2378664C1 (ru) | Способ определения местоположения и углов ориентации летательного аппарата относительно взлетно-посадочной полосы и устройство для его осуществления | |
Buenker | Dissecting Einstein’s Lightning-Strike Example | |
RU2706444C1 (ru) | Способ локальной навигации подвижного объекта | |
RU90192U1 (ru) | Электронно-оптический дальномер для измерения расстояний до объекта закрытого от наблюдателя непрозрачным препятствием | |
RU2521972C1 (ru) | Способ измерения положения дорожно-строительной машины | |
RU178696U1 (ru) | Мобильная лаборатория для мониторинга аэродромного покрытия взлётно-посадочной полосы | |
RU2583954C2 (ru) | Способ определения высоты облачности (варианты) | |
RU2027144C1 (ru) | Параллактический способ определения координат объекта | |
CN107835931B (zh) | 监测三维实体的线性尺寸的方法 | |
RU2592733C2 (ru) | Способ измерения радиуса кривизны трубопровода по данным геодезических измерений | |
RU2368920C1 (ru) | Способ измерения координат мерцающей подвижной точки земной поверхности и устройство для его осуществления |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180726 |