Оценка скорости полета малых летательных аппаратов с помощью видеоаппаратуры Текст научной статьи по специальности «Математика»

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,

установленной на платформе, позволяет получать изображения фоновых неподвижных объектов, попавших в поле зрения, без размытия [8]. Данное допущение необходимо для того, чтобы при анализе исключить ситуацию, когда стартовая скорость платформы будет достаточно высокой, и линия визирования обгонит наблюдаемый МЛА.

Рассмотрим движение МЛА, статичное изображение которого укладывается в один пиксель (рис. 1). В этом случае можно оценить скорость объекта по одному кадру.

Рис. 1. Изображение малоразмерного МЛА, движущегося с большой скоростью

Если начало и конец линии толщиной в один пиксель четко определены, то угловая скорость движения объекта может быть определена по зависимости

íc

arctan

X!) -А/)2 + ((У2 - yi) -А/ )2

(( X2

w

/ f

t.Э

где ю - угловая скорость объекта; х1} у\ - координаты начала светящегося следа в пикселях; х2, у2 - координаты окончания светящегося следа в пикселях; А/ - геометрический размер пикселя, если размеры пикселя равны по вертикали и по горизонтали; / - фокусное расстояние объектива используемой оптической системы; - время экспозиции.

На практике могут быть получены горизонтальная и вертикальная составляющие угловой скорости:

агС;ап((Х2 - Х1) • А/ / /)

wH

wv

tЭ

arctan((У2 - yQ- А/ / f)

tЭ

С другой стороны, как известно [1], требование условий непрерывного слежения за объектом выражается следующей зависимостью:

V ■ соБ2(а(?))

ю =- ,

В ■ 2р

где В - кратчайшее расстояние от точки стояния видеоаппаратуры до прямой, соответствующей траектории полета изделия; V - скорость МЛА; а(?) - угол между перпендикуляром к рассматриваемому участку траектории и данным направлением; ю - угловая скорость платформы (рис. 2).

д

Рис. 2. Величины, обусловливающие потребную угловую скорость слежения

Зная угловую скорость, можно вычислить обновленные значения таких параметров, как V, В или а^), а затем и скорректировать закон движения платформы ю(1;) прямо в ходе эксперимента. Даже после грубой оценки скорости на одном кадре, у следящей измерительной системы есть возможность догнать улетающий МЛА, пусть даже с каким-то разрывом контура слежения величиной в несколько кадров. Возможно также, что в некоторых случаях следует специально увеличить время экспозиции для некоторых кадров, в целях получения информации о скорости изделия по одному кадру.

Можно условно разделить зону сопровождения снаряда следящей видеосистемой на три участка. На начальном участке траектории при неподвижной платформе можно получить лишь один (в редких случаях два кадра) за время экспозиции с очень длинным размытием светящегося следа. Средний участок траектории характеризуется тем, что если бы следящая система была неподвижна и направлена на него, то можно было бы получить от 5 до 15 кадров, содержащих изображение снаряда с уже меньшим характерным размытием светящегося следа. На дальнем же участке в таких же условиях можно наблюдать точку практически без размы-

тия светового пятна.

В первой зоне метод вычисления скорости по нескольким кадрам неприменим. Поэтому можно рекомендовать использовать метод вычисления по размытию изображения. Представляется также полезным использовать этот метод на дальних точках траектории в случаях, например, когда угловая погрешность измерения угловых величин следящей платформой или же ее способность удерживать стабильно данное угловое направление не обеспечивает необходимую точность. Также, когда один из постов не видит удаляющуюся цель, можно оценить скорость по данным о размытии изображения на одном из постов.

Предложенный метод имеет следующие преимущества:

система может приступить к вычислению искомых величин сразу после получения первого кадра, что увеличит ее быстродействие и эффективность;

на анализ тратится меньше вычислительных операций, что уменьшает нагрузку на обрабатывающую ЭВМ;

метод можно использовать при срывах слежения и пропадании синхронизации по некоторым каналам информации внутри системы слежения;

метод можно использовать для контроля при наличии других способов измерения.

Таким образом, предложен способ оценки скорости полета боеприпасов с помощью анализа единственного изображения с видеосистемы, используемой при проведении полигонных испытаний. В некоторых случаях, когда нет необходимости в получении четкого изображения изделия на кадре, можно специально увеличить время экспозиции для некоторых кадров в целях получения информации о скорости изделия по одному кадру.

Список литературы

1. 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 научно-технической конференции / под ред. Г.В. Барбашова и И.В. Романова. СПб.: Балт. гос. техн. ун-т., 2013. 240 с.

2. 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.

3. Аршакян А.А., Ларкин Е.В. Оценка координат точечных источников сигналов // Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 2. С. 3 - 10.

4. Ларкин Е.В., Котов В.В., Котова Н.А. Оценка эффективности

программного обеспечения робота с использованием сетей Петри-Маркова // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 9. Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 156 - 163.

5. Ларкин Е.В., Ивутин А.Н. Прогнозирование времени выполнения алгоритма // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 301 - 315.

6. Ларкин Е.В., Ивутин А.Н. Обобщенная полумарковская модель алгоритма управления цифровыми устройствами // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 221 - 228.

7. Ларкин Е.В., Ивутин А.Н. Временные и вероятностные характеристики транзакций в цифровых системах управления// Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 252 - 258.

8. 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.

Чупахин Антон Петрович, асп., elarkinamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Савин Максим Леонидович, асп., elarkina mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

EVALUATION OF SMALL-SIZE FLYING OBJECTS VELOCITY WITH VIDEO EQUIPMENT

A.P. Chupahin, M.L. Savin

Approaches to image processing, which permit to evaluate velocity and direction of flight of small-size flying object when high-speed registration of image are considered. Information is obtainedfrom experience of exploiting of special-purpose measurement equipment.

Key words: visual equipment, trajectory measurements, evaluation of speed, diffusion of image, servo-platform.

Chupahin Anton Petrovich, postgraduate, elarkina mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Savin Maxim Leonidovich, postgraduate, elarkina mail. ru, Russia, Tula, Tula State University