RU2638876C1

RU2638876C1 - Universal method of controlling object movement with optical navigation system

Info

Publication number: RU2638876C1
Application number: RU2016123693A
Authority: RU
Inventors: Михаил Николаевич Матвеев
Original assignee: Михаил Николаевич Матвеев
Priority date: 2016-06-15
Filing date: 2016-06-15
Publication date: 2017-12-18
Also published as: RU2016123693A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: to control the object movement, navigational beacons are installed in the movement zone of the object on the basis of a passive design of the corner reflectors of two sizes, larger and smaller, the signals from the navigation beacons are searched for, the position of the object in space is determined, and the control signals are generated to follow the object along a given trajectory.

EFFECT: increasing the reliability, environmental friendliness and unified control of the object movement.

13 dwg

Description

Изобретение относится к системам навигации и контроля перемещения объектов в пространстве и может быть использовано в любой ситуации, где есть потребность в контроле или автоматизации движения транспортного средства, робота, привода, инструмента или другого технического средства. В том числе изобретение может быть использовано в системах:The invention relates to navigation systems and control the movement of objects in space and can be used in any situation where there is a need for control or automation of the movement of a vehicle, robot, drive, tool or other technical means. Including the invention can be used in systems:

- автоматической стыковки космических аппаратов;- automatic docking of spacecraft;

- автоматической посадки летательных аппаратов различного класса (самолетов, вертолетов, автожиров, беспилотных летательных аппаратов) на подготовленные (аэродромы, авианосцы, буровые платформы) и неподготовленные (поле, луг, поляна, автомобильная дорога) взлетно-посадочные полосы (ВПП), в том числе в экстремальных условиях;- automatic landing of aircraft of various classes (airplanes, helicopters, gyroplanes, unmanned aerial vehicles) on prepared (aerodromes, aircraft carriers, drilling platforms) and unprepared (field, meadow, meadow, road) runways (runways), including including in extreme conditions;

- автоматической навигации судов различного класса по фарватерам;- automatic navigation of ships of various classes along the fairways;

- автоматического управления наземными транспортными средствами различного класса (легковыми автомобилями, автобусами, грузовыми автомобилями) при их движении по автодорогам, автоматической парковке транспортных средств на автостоянках и в гаражных условиях;- automatic control of ground vehicles of various classes (cars, buses, trucks) during their movement on highways, automatic parking of vehicles in parking lots and in garage conditions;

- автоматической циркуляции транспорта по территории предприятия;- automatic circulation of vehicles throughout the enterprise;

- автоматического движения сельскохозяйственной техники (тракторов, сеялок, комбайнов, поливальных машин) по сельскохозяйственным угодьям;- automatic movement of agricultural machinery (tractors, seeders, combines, irrigation machines) on agricultural land;

- автоматического управления группами летательных аппаратов или транспортных средств (полеты космических или других летательных аппаратов в группе, движение автомобилей в колонне);- automatic control of groups of aircraft or vehicles (flights of space or other aircraft in a group, movement of cars in a convoy);

- автоматического движения бытовой техники (поломоечных машин, пылесосов) в жилых и нежилых помещениях;- automatic movement of household appliances (floor cleaning machines, vacuum cleaners) in residential and non-residential premises;

- автоматического управления приводами и робототехникой;- automatic control of drives and robotics;

- автоматизации точных измерений в труднодоступных местах;- automation of accurate measurements in hard to reach places;

- ввода информации с расширенными возможностями (3D-мышь).- input information with advanced features (3D mouse).

Проблема автоматизации навигации и контроля перемещения наиболее актуальна для критических маневров технических средств, связанных с опасностью для людей и возможностью повреждения самого движущегося средства или окружающих сооружений и оборудования. В частности, к таким маневрам относятся стыковка и движение в группе космических аппаратов; посадка и движение в группе летательных аппаратов, в том числе беспилотных; парковка и движение в группе наземных транспортных средств. В связи со значительным расширением в последнее время автоматизации процессов производства и бытового обслуживания проблема становится все более и более значимой и для других областей человеческой деятельности.The problem of automation of navigation and movement control is most relevant for critical maneuvers of technical equipment associated with danger to people and the possibility of damage to the moving vehicle or surrounding structures and equipment. In particular, such maneuvers include docking and movement in a group of spacecraft; landing and movement in a group of aircraft, including unmanned aerial vehicles; parking and traffic in a group of land vehicles. Due to the recent significant expansion of automation of production processes and consumer services, the problem is becoming more and more significant for other areas of human activity.

Один из способов решения проблемы автоматической навигации и контроля перемещения транспортных средств описан в патенте RU 2483987 С2 от 09.08.2011, МПК B64F 1/18, на способ посадки летательного аппарата. В этом способе посадка летательного аппарата осуществляется с помощью установки в районе ВПП шести датчиков лазерного излучения и оснащения летательного аппарата лазерным излучателем с устройством сканирования лазерного луча. Способ работает следующим образом. При заходе на посадку летательный аппарат по радио инициирует датчики лазерного излучения и начинает сканирование лазерным лучом пространства в районе ВПП. Обнаружив лазерный луч, датчик определяет направление лазерного луча и по радио передает его на летательный аппарат. При снижении (движении по глиссаде) летательный аппарат использует информацию от двух датчиков установленных на оси ВПП в ее концах. При посадке (движении параллельно ВПП, касании земли и торможении) используется информация от двух других датчиков, расположенных справа или слева от ВПП, в зависимости от направления посадки летательного аппарата.One way to solve the problem of automatic navigation and vehicle movement control is described in patent RU 2483987 C2 dated 08/09/2011, IPC B64F 1/18, on the method of landing of an aircraft. In this method, the aircraft is landing by installing six laser radiation sensors in the runway area and equipping the aircraft with a laser emitter with a laser beam scanning device. The method works as follows. When approaching the aircraft, the radio initiates laser radiation sensors and begins scanning with a laser beam the space in the runway area. Having detected a laser beam, the sensor determines the direction of the laser beam and transmits it to the aircraft via radio. When decreasing (moving along the glide path), the aircraft uses information from two sensors installed on the axis of the runway at its ends. When landing (moving parallel to the runway, touching the ground and braking), information is used from two other sensors located to the right or left of the runway, depending on the direction of landing of the aircraft.

Недостатком такого решения является постоянный радиообмен между летательным аппаратом и датчиками в процессе посадки, поскольку это требует использования многочисленными производителями летательных аппаратов и аэродромного оборудования одного стандартизованного формата радиообмена. Кроме того, радиообмен наполняет окружающее пространство электромагнитным излучением радиодиапазона, что ухудшает экологию, а большое количество (6) и активная конструкция датчиков, требующая стационарного или автономного электропитания, усложняют использование способа и снижают его надежность.The disadvantage of this solution is the constant radio exchange between the aircraft and the sensors during the landing process, since this requires the use of multiple standardized airborne communication formats by many manufacturers of aircraft and airfield equipment. In addition, the radio exchange fills the surrounding space with electromagnetic radiation of the radio range, which worsens the environment, and a large number (6) and the active design of the sensors, requiring stationary or autonomous power supply, complicate the use of the method and reduce its reliability.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ посадки самолета, патент RU 2055785 от 04.04.1994, МПК B64F 1/20, G08G 5/02, выбранный в качестве прототипа. Данное техническое решение основано на определении местоположения самолета относительно ВПП по информации о расположенных в районе ВПП навигационных маяках (маркерах). Маяки изготавливаются двух типов: основные и дополнительные. Основной маяк представляет собой лампу видимого и инфракрасного излучения, на корпусе которой ортогонально закреплены металлические пластины, образующие уголковый отражатель, работающий в радиодиапазоне. В дополнительном маяке используется менее мощная лампа и отсутствуют металлические пластины. Основные маяки устанавливаются вдоль боковых кромок ВПП по обе стороны от ее оси на заданных расстояниях один от другого. На заданном расстоянии от основных маяков и в равном им количестве с каждой стороны от ВПП устанавливаются дополнительные маяки.The closest in technical essence to the invention is the aircraft landing method, patent RU 2055785 dated 04/04/1994, IPC B64F 1/20, G08G 5/02, selected as a prototype. This technical solution is based on determining the location of the aircraft relative to the runway according to information about navigation beacons (markers) located in the area of the runway. Lighthouses are made of two types: primary and secondary. The main beacon is a lamp of visible and infrared radiation, on the housing of which metal plates are formed orthogonally, forming an angular reflector operating in the radio range. An additional beacon uses a less powerful lamp and no metal plates. Main beacons are installed along the lateral edges of the runway on both sides of its axis at predetermined distances from one another. At a predetermined distance from the main beacons and in an equal amount on each side of the runway, additional beacons are installed.

Способ работает следующим образом. При подлете самолета к ВПП и его снижении по глиссаде осуществляется поиск основных маяков, расположенных вдоль кромок ВПП: самолет излучает электромагнитные волны с помощью бортового радиолокатора и сканирует пространство в районе ВПП осью бортового приемного устройства видимого и инфракрасного диапазонов. От каждого обнаруженного основного маяка принимаются сигналы в трех диапазонах волн: радиодиапазоне, видимом и инфракрасном диапазонах. В радиодиапазоне принимаемые сигналы формируются отраженным металлическими пластинами маяка излучением радиолокатора, а в видимом и инфракрасном диапазонах - излучением лампы маяка. По сигналам, принятым в каждом диапазоне, строятся изображения совокупности маяков, эти изображения совмещаются и на совмещенном изображении выделяются три отметки - изображения трех маяков, два из которых расположены вдоль одной из боковых кромок ВПП, а третий напротив одного из них на другой боковой кромке ВПП. После этого бортовое приемное устройство переходит в режим слежения за маяками, а для автоматической посадки самолета используется система координат, центр которой совмещается с одним из маяков, ось Y направлена вдоль ВПП от наблюдателя через последующие маяки, ось X параллельна передней кромке ВПП, ось Z вверх. В данной системе координат положение самолета определяют по отношениям модулей векторов от центра изображения до выделенных отметок и углам между этими векторами. На этапах выравнивания, движения параллельно ВПП, касания земли и торможения часть основных маяков не попадает в поле зрения бортового приемного устройства. На этих этапах самолет прекращает излучение электромагнитных волн с помощью бортового радиолокатора и принимает сигналы только видимого и инфракрасного диапазонов от основных и дополнительных маркеров, расположенных с одной стороны от ВПП.The method works as follows. When approaching the aircraft to the runway and lowering it along the glide path, the main beacons located along the edges of the runway are searched: the plane emits electromagnetic waves using the on-board radar and scans the space in the runway area with the axis of the on-board receiver of the visible and infrared ranges. From each detected main beacon, signals are received in three wavelengths: radio, visible and infrared. In the radio range, the received signals are formed by the radar radiation reflected by the metal plates of the beacon, and in the visible and infrared ranges by the radiation of the beacon lamp. Based on the signals received in each range, images of a set of beacons are built, these images are combined and three marks are highlighted on the combined image - images of three beacons, two of which are located along one of the side edges of the runway, and the third opposite one of them on the other side edge of the runway . After that, the on-board receiving device switches to beacon tracking mode, and for automatic landing, the coordinate system is used, the center of which is aligned with one of the beacons, the Y axis is directed along the runway from the observer through subsequent beacons, the X axis is parallel to the front edge of the runway, the Z axis is up . In this coordinate system, the position of the aircraft is determined by the ratio of the modules of the vectors from the center of the image to the selected marks and the angles between these vectors. At the stages of leveling, running parallel to the runway, touching the ground and braking, some of the main beacons do not fall into the field of view of the on-board receiving device. At these stages, the aircraft stops emitting electromagnetic waves using the on-board radar and receives signals of only the visible and infrared ranges from the primary and secondary markers located on one side of the runway.

Недостатком прототипа является то, что для работы ламп маяков требуются источники стационарного или автономного электропитания - это ухудшает эксплуатационные качества и снижает надежность способа. Кроме того, способ требует установки большого количества маяков (как минимум трех основных и трех дополнительных) и знания расстояний между ними, что ограничивает универсальность способа и его применимость, особенно в условиях экстренной посадки на неподготовленные ВПП. Наконец, способ является недостаточно экологичным: работа способа основана на распространении в пространстве между самолетом и ВПП электромагнитного излучения радиодиапазона, а лампы маяков излучают электромагнитные волны видимого и инфракрасного диапазона вообще во все окружающее пространство.The disadvantage of the prototype is that for the operation of lighthouse lamps requires sources of stationary or autonomous power supply - this affects the performance and reduces the reliability of the method. In addition, the method requires the installation of a large number of beacons (at least three main and three additional) and knowledge of the distances between them, which limits the versatility of the method and its applicability, especially in emergency landing on unprepared runways. Finally, the method is not environmentally friendly: the method is based on the propagation in the space between the plane and the runway of electromagnetic radiation of the radio range, and lighthouse lamps emit electromagnetic waves of the visible and infrared range in general into the entire surrounding space.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является совершенствование и универсализация способа управления движением объекта с помощью применения оптической навигационной системы с оптическими маяками особой конструкции.The problem to which the invention is directed is to improve and universalize the method of controlling the movement of an object using an optical navigation system with optical beacons of a special design.

Данная задача решается за счет того, что в известном способе осуществляют изготовление и установку в зоне движения объекта навигационных маяков, поиск и обнаружение сигналов от навигационных маяков, определение по этим сигналам текущего положения объекта в пространстве, формирование сигналов управления объектом для его следования по заданной траектории, при этом конструкцию маяков выбирают пассивной, пассивность конструкции маяков обеспечивают уголковыми отражателями оптического диапазона, уголковые отражатели для маяков выполняют двух размеров, большего и меньшего, поле видимости маяка формируют, включая в конструкцию маяка от одного до восьми уголковых отражателей большего размера, уголковые отражатели большего размера различают с помощью системы меток маяка, образованной уголковыми отражателями меньшего размера,This problem is solved due to the fact that in the known method, the manufacture and installation of navigation beacons in the movement zone of the object is carried out, the signals from the navigation beacons are searched and detected, these signals determine the current position of the object in space, generate control signals for the object to follow along a given path while the design of the beacons is chosen passive, the passivity of the design of the beacons is provided with angular reflectors of the optical range, the corner reflectors for beacons two sizes larger and smaller field formed visibility beacon including beacon in construction from one to eight corner reflectors larger corner reflectors larger distinguish the beacon tags via system formed corner reflectors smaller

Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, заключается в упрощении, приведении к единообразной форме, повышении надежности и экологичности способа управления движением объекта, что в совокупности делает способ универсально применимым для решения самого широкого спектра задач навигационного характера. Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:The technical result provided by the given set of features is to simplify, bring to a uniform form, increase the reliability and environmental friendliness of the method of controlling the movement of an object, which together makes the method universally applicable for solving the widest range of navigation problems. The invention is illustrated by the following drawings:

Фиг. 1 - схема оптической навигационной системы и ее деление на активную и пассивную части;FIG. 1 is a diagram of an optical navigation system and its division into active and passive parts;

Фиг. 2 - схема конструкции оптического маяка со сферическим полем видимости и схема его разбиения на секции, соответствие между секциями маяка и секторами пространства;FIG. 2 is a diagram of the construction of an optical beacon with a spherical field of view and a diagram of its division into sections, the correspondence between sections of the beacon and sectors of space;

Фиг. 3 - устройство секции маяка;FIG. 3 - device section of the beacon;

Фиг. 4 - устройство оптического маяка со сферическим полем видимости;FIG. 4 - device optical beacon with a spherical field of visibility;

Фиг. 5 - варианты исполнения оптических маяков с различными полями видимости, а именно: фиг. 5, А - со сферическим полем видимости; фиг. 5, Б - с верхним полусферическим полем видимости; фиг. 5, В - с нижним полусферическим полем видимости, фиг. 5, Г, Д - с полем видимости в одну четверть сферы; наконец, фиг. 5, Е - с полем видимости в одну восьмую сферы;FIG. 5 - embodiments of optical beacons with different fields of visibility, namely: FIG. 5, A - with a spherical field of visibility; FIG. 5, B - with the upper hemispherical field of view; FIG. 5, B - with a lower hemispherical field of view, FIG. 5, D, D - with a field of view of one quarter of the sphere; finally FIG. 5, E - with a field of view of one-eighth of a sphere;

Фиг. 6 - изображения маяка со сферическим полем видимости и отдельных его элементов при работе оптической навигационной системы;FIG. 6 - images of a lighthouse with a spherical field of visibility and its individual elements during operation of the optical navigation system;

Фиг. 7 - работа маяка со сферическим полем видимости при стыковке транспортного модуля к орбитальной космической станции;FIG. 7 - operation of a lighthouse with a spherical field of view when a transport module is docked to an orbiting space station;

Фиг. 8 - работа маяка со сферическим полем видимости при посадке самолета и иллюстрация 4-кратного дублирования информации при работе универсальной оптической навигационной системы;FIG. 8 - operation of the lighthouse with a spherical field of view during landing and illustration of 4-fold duplication of information during the operation of the universal optical navigation system;

Фиг. 9 - работа маяков со сферическим полем видимости и верхним полусферическим полем видимости при посадке вертолета на палубу авианосца, отслеживание оптической навигационной системой раскачивания палубы;FIG. 9 - operation of lighthouses with a spherical field of view and an upper hemispherical field of view when landing a helicopter on the deck of an aircraft carrier, tracking by the optical navigation system of swinging the deck;

Фиг. 10 - использование маяка с нижним полусферическим полем видимости при движении судна по фарватеру, движении автомобиля по автомагистрали и его парковке;FIG. 10 - use of a lighthouse with a lower hemispherical field of view when the vessel moves along the fairway, the car moves along the highway and its parking;

Фиг. 11 - использование маяка с полем видимости в четверть сферы, в частности, для организации, фиг. 11, А - автоматической циркуляции транспорта по территории предприятия, фиг. 11, Б - автоматической циркуляции сельскохозяйственной техники, фиг. 11, В - системы автопилотирования автомобилей по автомагистралям;FIG. 11 - use of a lighthouse with a quarter-scope field of view, in particular for organization, FIG. 11, A - automatic circulation of transport throughout the enterprise, FIG. 11, B - automatic circulation of agricultural machinery, FIG. 11, B - systems of autopilot cars on motorways;

Фиг. 12 - использование маяка с полем видимости в одну восьмую сферы для, в частности, фиг. 12, А - создания автоколонн, фиг. 12, Б - автоматической парковки автомобилей, фиг. 12, В - организации автоматической циркуляции бытовой техники;FIG. 12 shows the use of a lighthouse with a field of view of one-eighth of a sphere for, in particular, FIG. 12, A - creation of convoys, FIG. 12, B - automatic parking of cars, FIG. 12, B - organization of automatic circulation of household appliances;

Фиг. 13 - использование маяка со сферическим полем видимости в системах контроля шести степеней свободы объекта, в том числе для ввода информации, измерений в труднодоступных местах и управления манипуляторами, приводами и робототехникой.FIG. 13 - use of a lighthouse with a spherical field of view in monitoring systems of six degrees of freedom of an object, including for entering information, measuring in hard-to-reach places and controlling manipulators, drives and robotics.

Заявленный способ управления движением объекта реализован оптической навигационной системой, схема которой приведена на фиг. 1. Эта система делится на две части: активную и пассивную. Пассивная часть состоит из оптического маяка 1, в качестве активной части используется устройство 2, описанное в патенте RU 2556282 С1 от 05.03.2014, МПК G01B 11, G01B 11/142, как оптико-электронная система (ОЭС). Работа ОЭС 2 в точности соответствует способу определения пространственной ориентации объекта с помощью ОЭС и уголкового отражателя, описанному в патенте RU 2556282 С1, в качестве оптического маяка 1 в патенте RU 2556282 С1 используется уголковый отражатель: ОЭС 2 сканирует пространство параллельным лучом света, диаметр которого превышает диаметр оптического маяка 1, и обнаруживает оптический маяк 1 по лучу света, отраженному оптическим маяком в обратном направлении. После этого ОЭС 2 позиционирует луч света таким образом, чтобы он освещал оптический маяк 1 полностью, и переходит в режим слежения, который поддерживает полную освещенность оптического маяка 1. В режиме слежения по лучу, отраженному оптическим маяком 1, ОЭС 2 определяет расстояние до оптического маяка и ориентацию маяка в виде трех углов последовательного разворота маяка вокруг трех взаимно-перпендикулярных осей, проходящих через центр маяка 1.The claimed method of controlling the movement of an object is implemented by an optical navigation system, a diagram of which is shown in FIG. 1. This system is divided into two parts: active and passive. The passive part consists of an optical beacon 1, the device 2 is used as the active part, described in patent RU 2556282 C1 dated 03/05/2014, IPC G01B 11, G01B 11/142, as an optoelectronic system (OES). The operation of ECO 2 exactly corresponds to the method for determining the spatial orientation of an object using ECO and an angular reflector described in patent RU 2556282 C1, an angular reflector is used as optical beacon 1 in patent RU 2556282 C1: ECO 2 scans a space with a parallel light beam whose diameter exceeds the diameter of the optical beacon 1, and detects the optical beacon 1 by the light beam reflected by the optical beacon in the opposite direction. After this, the ECO 2 positions the light beam so that it illuminates the optical beacon 1 completely and switches to the tracking mode, which maintains the full illumination of the optical beacon 1. In the tracking mode by the beam reflected by the optical beacon 1, the ECO 2 determines the distance to the optical beacon and the orientation of the beacon in the form of three angles of sequential rotation of the beacon around three mutually perpendicular axes passing through the center of the beacon 1.

Заявленный способ управления движением объекта является развитием способа, изложенного в патенте RU 2556282 С1, за счет особой конструкции оптического маяка 1, обеспечивающей маяку более широкое по сравнению с уголковым отражателем поле видимости. В частности, эта конструкция обеспечивает и максимально широкое сферическое поле видимости, то есть видимость маяка и возможность работы по нему из всего окружающего пространства. Расширение поля видимости маяка приводит, прежде всего, к соответствующему расширению функционала отмеченных в патенте RU 2556282 С1 приложений способа в области контроля перемещения объектов. В этих приложениях ОЭС 2 жестко связывается с некоторой системой координат, которая, как правило, неподвижна, а оптический маяк 1 устанавливается на движущийся объект, например 3D-мышь, механический привод станка, манипулятор робота, измерительный инструмент. В таком случае способ патента RU 2556282 С1 используется как способ контроля за 6 степенями свободы объекта с закрепленным на нем маяком 1, движущегося в поле зрения ОЭС 2, в системе координат, связанной с ОЭС 2.The claimed method of controlling the movement of an object is the development of the method described in patent RU 2556282 C1, due to the special design of the optical beacon 1, which provides the beacon with a wider field of view compared to the corner reflector. In particular, this design provides the widest possible spherical field of view, that is, the lighthouse's visibility and the ability to work on it from the entire surrounding space. The extension of the field of view of the lighthouse leads, first of all, to the corresponding expansion of the functionality of the method applications mentioned in patent RU 2556282 C1 in the field of monitoring the movement of objects. In these applications, OES 2 is rigidly associated with some coordinate system, which, as a rule, is stationary, and the optical beacon 1 is mounted on a moving object, for example, a 3D mouse, a mechanical machine drive, a robot manipulator, and a measuring tool. In this case, the method of patent RU 2556282 C1 is used as a way to control 6 degrees of freedom of an object with a beacon 1 fixed on it, moving in the field of view of ECO 2, in the coordinate system associated with ECO 2.

Однако главное достоинство оптического маяка 1 с широким, в том числе максимально широким - сферическим, полем видимости состоит в том, что он делает способ патента RU 2556282 С1 удобным для использования в приложениях, имеющих навигационный характер. В приложениях навигационного характера роль маяка 1 и ОЭС 2 меняется: оптический маяк 1 задает некоторую систему координат и, как правило, закрепляется неподвижно, а ОЭС 2 устанавливается на движущемся объекте. Определяя дальность до маяка 1 и его ориентацию, ОЭС 2 в этом случае определяет свое собственное положение в системе координат, заданной маяком 1. Это позволяет использовать способ патента RU 2556282 С1 для автоматического управления движением объекта, на котором установлена ОЭС 2, в пространстве, окружающем оптический маяк 1.However, the main advantage of the optical beacon 1 with a wide, including as wide as possible - spherical, field of view is that it makes the method of patent RU 2556282 C1 convenient for use in applications of a navigational nature. In applications of a navigational nature, the role of beacon 1 and ECO 2 changes: optical beacon 1 defines a certain coordinate system and, as a rule, is fixed motionless, and ECO 2 is installed on a moving object. Determining the distance to lighthouse 1 and its orientation, ECO 2 in this case determines its own position in the coordinate system defined by beacon 1. This allows you to use the method of patent RU 2556282 C1 to automatically control the movement of the object on which ECO 2 is installed in the space surrounding optical beacon 1.

Спектр навигационных приложений способа патента RU 2556282 С1 с оптическими маяками 1, имеющими сферические и другие расширенные поля видимости, очень разнообразен и охватывает практически все сферы человеческой деятельности. Например, далее будут рассмотрены примеры, где ОЭС 2 используется для управления движением космического аппарата, самолета, вертолета, речного или морского судна, автомобилей, транспортера, поломоечной машины. В связи с этим ОЭС 2, используемая для целей навигации, называется далее ОЭС навигации, а оптическая навигационная система, схема которой приведена на фиг. 1, и заявленный способ управления движением объектов, который реализует эта система, - универсальным.The range of navigation applications of the method of patent RU 2556282 C1 with optical beacons 1 having spherical and other extended visibility fields is very diverse and covers almost all spheres of human activity. For example, examples below will be considered where ECO 2 is used to control the movement of a spacecraft, an airplane, a helicopter, a river or sea vessel, cars, a conveyor, and a scrubber. In this regard, the OES 2 used for navigation purposes is hereinafter referred to as the OES navigation, and the optical navigation system, the scheme of which is shown in FIG. 1, and the claimed method of controlling the movement of objects that implements this system is universal.

Схема конструкции оптического маяка 1, имеющего сферическое поле видимости, показана на фиг. 2. Маяк 1 строится на базе октаэдра, имеет форму, напоминающую октаэдр, и состоит из восьми частей 3, называемых далее секциями. Каждая из секций 3 маяка 1 располагается в правильной трехгранной пирамиде с центром октаэдра в качестве вершины и одной из восьми граней октаэдра в качестве основания.A design diagram of an optical beacon 1 having a spherical field of view is shown in FIG. 2. Lighthouse 1 is built on the basis of the octahedron, has a shape resembling an octahedron, and consists of eight parts 3, called sections below. Each of sections 3 of lighthouse 1 is located in a regular trihedral pyramid with the center of the octahedron as the top and one of the eight faces of the octahedron as the base.

Октаэдр имеет три пары вершин, не принадлежащих одному и тому же ребру и три оси симметрии, проходящие через эти вершины и состоящие из двух полуосей с вершиной в центре октаэдра. Двум полуосям, лежащим на одной из этих осей, поставим в соответствие полюсы В "верх" и Н "низ", двум полуосям, лежащим на другой оси, - полюсы С "север" и Ю "юг", и наконец, двум полуосям, лежащим на третьей оси, - полюсы 3 "запад" и В "восток". Три плоскости, проходящие через каждые две из рассмотренных осей симметрии, разбивают все пространство на 8 секторов. Обозначим эти секторы по содержащимся в них полуосям, а именно, верхний северовосточный (ВСВ), верхний юго-восточный (ВЮВ), верхний северо-западный (ВСЗ), верхний юго-западный (ВЮЗ), нижний северо-восточный (НСВ), нижний юго-восточный (НЮВ), нижний северо-западный (НСЗ), нижний юго-западный (НЮЗ). Свяжем с маяком 1 систему координат XYZ с началом координат в центре октаэдра и осями X, Y, Z, определяемыми любой тройкой полуосей В (верх), Н, С, Ю, З, В (восток), не лежащих в одной плоскости, например, на фиг 2, А, ось X (и ее направление) задается полуосью З, ось Y - полуосью Ю, ось Z - полуосью В (верх).The octahedron has three pairs of vertices that do not belong to the same edge and three axes of symmetry passing through these vertices and consisting of two semi-axes with a vertex in the center of the octahedron. We associate the two semi-axes lying on one of these axes with the poles B “top” and H “the bottom”, the two semi-axes lying on the other axis — the poles C “north” and S “south”, and finally, the two semi-axes, lying on the third axis - poles 3 "west" and B "east". Three planes passing through every two of the considered axes of symmetry divide the entire space into 8 sectors. Let us designate these sectors according to the semiaxes contained in them, namely, the upper north-eastern (VVS), upper southeast (VVV), upper north-west (VVZ), upper south-west (VVZ), lower northeast (NSV), lower southeast (NLE), lower northwest (NHA), lower southwest (NLS). We associate with the lighthouse 1 the coordinate system XYZ with the origin in the center of the octahedron and the axes X, Y, Z defined by any three semi-axes B (top), H, C, 10, 3, B (east) that do not lie in the same plane, for example , in FIG. 2, A, the X axis (and its direction) is defined by the semi-axis Z, the Y axis by the semi-axis Yu, the Z axis by the semi-axis B (top).

По построению каждая из секций маяка содержится в одном из секторов пространства. Предположим, что в качестве секций маяка используются уголковые отражатели, входные грани которых совпадают с гранями октаэдра. В этом случае входная грань каждого из уголковых отражателей будет видимой из любой точки сектора, содержащего уголковый отражатель, а также, в зависимости от показателя преломления отражателя, из некоторых точек пространства вне этого сектора. Поэтому оптический маяк 1 с секциями в виде уголковых отражателей может использоваться вместе со способом патента RU 2556282 С1 для автоматической навигации объекта с установленной на нем ОЭС навигации 2 в каждом из секторов пространства отдельно. Однако этого еще недостаточно для автоматической навигации объекта во всем пространстве, окружающем маяк: при идентичных секциях маяка для ОЭС навигации 2, управляющей объектом, невозможно определить, в каком именно секторе пространства этот объект находится.By construction, each of the sections of the lighthouse is contained in one of the sectors of space. Suppose that corner beams are used as sections of the lighthouse, the input faces of which coincide with the faces of the octahedron. In this case, the input face of each of the corner reflectors will be visible from any point in the sector containing the corner reflector, and also, depending on the refractive index of the reflector, from some points of space outside this sector. Therefore, an optical beacon 1 with sections in the form of corner reflectors can be used together with the method of patent RU 2556282 C1 for automatic navigation of an object with an integrated navigation system 2 in each of the space sectors separately. However, this is still not enough for automatic navigation of the object in the entire space surrounding the lighthouse: with identical sections of the lighthouse for navigation OES 2 controlling the object, it is impossible to determine in which sector of space this object is located.

Для того чтобы ОЭС навигации 2 могла различать секторы пространства, в каждой из секций маяка заявленный способ предлагает использовать от одной до трех меток, расположенных вблизи полуосей, задающих соответствующий секции сектор пространства. Предусмотрены метки двух типов: большая, обозначаемая Б, и малая, обозначаемая М. Отсутствие метки обозначается ∅. Один из вариантов установления взаимнооднозначного соответствия между секторами и наборами меток показан на фиг. 2, Б. При этом варианте сначала устанавливается следующее соответствие между полюсами и метками, каждая метка ставится в соответствие двум полюсам: В (верх) - Б, Ю (юг) - Б, З (запад) - М, Н (низ) - М, В (восток) - ∅, С (север) - ∅. Затем сектору ставится в соответствие упорядоченный набор меток по полюсам, участвующим в названии сектора. Метки в наборе перечисляются в порядке следования полюсов по часовой стрелке, если смотреть на секцию маяка извне. Перечисление меток в наборе начинается таким образом, чтобы сначала следовало по возможности большее количество меток Б или по возможности большее количество меток М, если метки Б в наборе отсутствуют. Например, верхнему юго-западному сектору ВЮЗ ставится в соответствие набор меток ББМ. Аналогично устанавливаются и другие соответствия: ВСВ - Б∅∅, ВЮВ - ББ∅, ВСЗ - БМ∅, НСВ - М∅∅, НЮВ - Б∅М, НСЗ - ММ∅, НЮЗ - БММ. Полученные восемь наборов меток (БММ, Б∅∅, ББ∅, БМ∅, М∅∅, Б∅М, ММ∅, БММ) обладают следующими свойствами:In order for OES of navigation 2 to be able to distinguish between sectors of space, in each of the sections of the lighthouse, the claimed method proposes to use from one to three marks located near the half shafts that define the corresponding sector of the space sector. There are two types of labels: large, denoted by B, and small, denoted by M. The absence of a label is indicated by ∅. One way to establish a one-to-one correspondence between sectors and sets of labels is shown in FIG. 2, B. With this option, the following correspondence between the poles and labels is first established, each label is assigned to two poles: B (top) - B, Yu (south) - B, W (west) - M, H (bottom) - M, B (east) - ∅, C (north) - ∅. Then the sector is mapped to an ordered set of labels at the poles involved in the sector name. Marks in the set are listed in clockwise order of the poles, if you look at the section of the lighthouse from the outside. The enumeration of marks in a set begins in such a way that, as soon as possible, the greatest number of marks B or the greatest possible number of marks M follows, if marks B are missing in the set. For example, a set of BBM tags is associated with the upper southwestern sector of the university. Other correspondences are established similarly: BCB - B∅∅, VVU - BBВ, VSZ - BM∅, NSV - M∅∅, NSW - BM, NSZ - MM∅, NSW - BMM. The resulting eight sets of labels (BMM, B∅∅, BB∅, BM∅, M∅∅, B∅M, MM∅, BMM) have the following properties:

1) никакие два набора, за исключением наборов БМ∅ и Б∅М, не обладают одинаковым составом меток, например в наборе Б∅∅ одна большая метка, а в наборе БММ одна большая метка и две маленькие метки;1) no two sets, with the exception of BM∅ and BM∅ sets, have the same composition of labels, for example, in the set Б∅∅ there is one large mark, and in the set of BMM there is one large mark and two small marks;

2) наборы меток БМ∅ и Б∅М, обладающие одинаковым составом меток (одна большая метка и одна малая метка), отличаются порядком следования меток;2) sets of labels BM∅ and BM∅, having the same composition of labels (one large label and one small label), differ in the order of labels;

3) никакой набор не содержит трех одинаковых меток;3) no set contains three identical labels;

4) метки, лежащие на границах соседних секторов, совпадают, например сектор ВЮВ имеет метки ББ∅, а соседний с ним сектор ВЮЗ - метки ББМ, при этом на границе секторов в каждом из секторов лежат одни и те же метки ББ.4) the labels lying on the borders of neighboring sectors coincide, for example, the SEC sector has the BB marks, and the neighboring SEC sector has the BB marks, while the same BB marks lie on the border of the sectors in each of the sectors.

Свойства 1) и 2) дают ОЭС навигации 2 возможность определить по набору меток, в каком именно секторе пространства находится объект, на котором она установлена. Свойства 3) и 4) дают ОЭС навигации 2 возможность, находясь в некотором секторе, определить, как расположены по отношению к этому сектору другие секторы. Например, для того чтобы попасть в сектор ВЮВ с метками ББ∅, находясь в секторе ВЮЗ с метками метки ББМ, нужно двигаться в сторону расположения двух меток ББ. Дополнительно свойство 3) позволяет снять ограничение патента RU 2556282 С1 по определению ориентации с точностью до угла скручивания 120°.Properties 1) and 2) give OES navigation 2 the opportunity to determine by the set of labels in which sector of space the object on which it is located is located. Properties 3) and 4) give OES navigation 2 the opportunity, being in a certain sector, to determine how other sectors are located in relation to this sector. For example, in order to get into the SEC sector with BB marks, while in the high school sector with BBM marks, you need to move towards the location of two BB marks. Additionally, property 3) allows you to remove the restriction of patent RU 2556282 C1 for determining the orientation with an accuracy of twist angle of 120 °.

Устройство секции 3 оптического маяка показано на фиг. 3. Основу секции маяка составляет уголковый отражатель 4, называемый базовым. Используя базовый уголковый отражатель, ОЭС навигации 2 определяет точное положение объекта, на которой она установлена, в секторе пространства, соответствующем секции 3. Части базового уголкового отражателя 4, прилегающие к трем вершинам его входной грани, усекаются - срезаются параллельно отражающим граням, не содержащим данных вершин. В зависимости от сектора пространства, соответствующего секции маяка, в каждую из трех образовавшихся ниш помещается либо уголковый отражатель 5 большего размера, соответствующий большой метке Б, либо уголковый отражатель 6 меньшего размера, соответствующий малой метке М, либо не помещается ничего. Части, прилегающие к вершинам входных граней уголковых отражателей 5 и 6, соответствующих меткам Б и М, могут быть усечены - срезаны параллельно отражающим граням, не содержащим данных вершин, в точности так же, как это сделано у базового уголкового отражателя 4, эти варианты исполнения показаны на фиг. 3 в увеличенном виде. Далее для упрощения уголковые отражатели 5 и 6, соответствующие меткам Б и М, будут изображаться целиком, независимо от того, имеют они в действительности усеченные части или нет.The arrangement of the optical beacon section 3 is shown in FIG. 3. The basis of the lighthouse section is an angular reflector 4, called the base. Using the base corner reflector, navigation ECO 2 determines the exact position of the object on which it is installed in the space sector corresponding to section 3. The parts of the base corner reflector 4 adjacent to the three vertices of its input face are truncated - they are cut parallel to the reflective faces that do not contain data peaks. Depending on the sector of space corresponding to the section of the lighthouse, either a corner reflector 5 of a larger size corresponding to a large mark B or a corner reflector 6 of a smaller size corresponding to a small mark M is placed in each of the three niches formed, or nothing is placed. The parts adjacent to the vertices of the input faces of the corner reflectors 5 and 6, corresponding to the marks B and M, can be truncated - cut parallel to the reflecting faces that do not contain these vertices, exactly the same as done with the base corner reflector 4, these options shown in FIG. 3 enlarged view. Further, for simplicity, the corner reflectors 5 and 6, corresponding to the marks B and M, will be displayed as a whole, regardless of whether they actually have truncated parts or not.

На фиг. 4 оптический маяк со сферическим полем видимости собирается из восьми секций 3, соответствующих восьми секторам пространства. Каждая из этих секций показана на фиг. 4 с установленными в ней уголковыми отражателями 5 и 6, соответствующих меткам Б и М. Например, секция 3 маяка, соответствующая сектору ВЮЗ, несет два уголковых отражателя 5, соответствующих метке Б, и один уголковый отражатель 6, соответствующий метке М. Размеры базового уголкового отражателя: L - без учета усеченных частей и R, R<L, - с учетом усеченных частей; расстояние D между секциями маяка; размер L_b уголкового отражателя 5, соответствующего метке Б, без учета усеченных частей; размер L_m уголкового отражателя 6, соответствующего метке М, без учета усеченных частей могут настраиваться в зависимости от приложения. Если части уголковых отражателей 5 и 6, прилегающие к вершинам их входных граней, усекаются, то это предпочтительнее делать таким образом, чтобы уголковые отражатели 5 и 6 были подобными базовому уголковому отражателю. В этом случае размеры R_b, R_b<L_b, и R_m, R_m<L_m, уголковых отражателей 5 и 6 с учетом усеченных частей удовлетворяют отношениям R_b/L_b=R_m/L_m=R/L.In FIG. 4, an optical beacon with a spherical field of view is assembled from eight sections 3, corresponding to eight sectors of space. Each of these sections is shown in FIG. 4 with corner reflectors 5 and 6 installed in it, corresponding to marks B and M. For example, the beacon section 3, corresponding to the SEC sector, carries two corner reflectors 5 corresponding to mark B, and one corner reflector 6 corresponding to mark M. Dimensions of the base corner reflector: L - excluding truncated parts and R, R <L, - taking into account truncated parts; distance D between sections of the beacon; the size L _{b of the} corner reflector 5 corresponding to the mark B, excluding truncated parts; the size L _{m of the} corner reflector 6 corresponding to the mark M, excluding truncated parts, can be adjusted depending on the application. If the parts of the corner reflectors 5 and 6 adjacent to the vertices of their input faces are truncated, then it is preferable to do so that the corner reflectors 5 and 6 are similar to the base corner reflector. In this case, the sizes R _b , R _b <L _b , and R _m , R _m <L _m , corner reflectors 5 and 6, taking into account the truncated parts, satisfy the ratios R _b / L _b = R _m / L _m = R / L.

В собранном виде оптический маяк со сферическим полем видимости показан на фиг. 5, А. Такой маяк может быть закреплен либо контактным способом (например, на столбе или стержне), как это показано на фиг. 5, А, либо бесконтактным способом (например, в космосе на орбите Земли). Сферичность поля видимости маяка, показанного на фиг. 5, А, означает, что маяк является видимым из всего трехмерного пространства, окружающего маяк внутри некоторой сферы, за пределами которой работа по маяку становится невозможной из-за явлений дифракции и рассеяния света. Перемещения во всех трех измерениях одновременно осуществляются в космосе, воздухе, а также воде. Из-за высокого рассеяния света использование точной оптики в воде маловероятно. Соответственно, маяки со сферическим полем видимости наиболее целесообразны для обеспечения навигации космических аппаратов (стыковка, совместный полет) и посадки летательных аппаратов различного типа (самолетов, вертолетов, беспилотных летательных аппаратов). Применение маяков со сферическим полем видимости иллюстрируется далее на фиг. 7-9.An assembled optical beacon with a spherical field of view is shown in FIG. 5, A. Such a beacon can be secured either by a contact method (for example, on a pole or rod), as shown in FIG. 5A, or in a non-contact manner (for example, in space in orbit of the Earth). The sphericity of the field of view of the beacon shown in FIG. 5A, means that the lighthouse is visible from the entire three-dimensional space surrounding the lighthouse inside a certain sphere, beyond which work on the lighthouse becomes impossible due to the phenomena of diffraction and scattering of light. Displacements in all three dimensions are simultaneously carried out in space, air, and also water. Due to the high scattering of light, the use of precision optics in water is unlikely. Accordingly, beacons with a spherical field of view are most suitable for providing navigation of spacecraft (docking, joint flight) and landing of various types of aircraft (aircraft, helicopters, unmanned aerial vehicles). The use of beacons with a spherical field of view is further illustrated in FIG. 7-9.

В ряде случаев сферическое поле видимости от маяка не требуется. Например, при посадке вертолета маяк может быть закреплен прямо на поверхности Земли: при посадке вертолет движется по достаточно крутой траектории, часто близкой к вертикальной, поэтому закрепленный на Земле маяк хорошо виден из любой точки траектории вертолета. Однако в таком случае вертолет все время находится сверху или, иными словами, в верхней полусфере маяка, нижняя половина маяка не используется - она могла бы быть видимой только из-под поверхности Земли. В таком случае вместо маяка со сферическим полем видимости удобнее установить маяк с верхним полусферическим полем видимости, показанный на фиг. 5, Б. Фактически, такой маяк представляет собой верхнюю половину маяка со сферическим полем видимости с доработками, необходимыми для обеспечения его крепления на поверхности земли. Использование маяков с верхним полусферическим полем видимости целесообразно при посадке вертолетов и беспилотных летательных аппаратов, в частности, в полевых условиях при необходимости быстрого обозначения или изменения зоны посадки.In some cases, a spherical field of view is not required from the lighthouse. For example, when landing a helicopter, the lighthouse can be fixed directly on the surface of the Earth: when landing, the helicopter moves along a rather steep path, often close to vertical, so the lighthouse fixed on the Earth is clearly visible from any point on the helicopter's trajectory. However, in this case, the helicopter is always on top or, in other words, in the upper hemisphere of the lighthouse, the lower half of the lighthouse is not used - it could only be visible from below the surface of the Earth. In this case, instead of a beacon with a spherical field of view, it is more convenient to install a beacon with an upper hemispherical field of view, shown in FIG. 5, B. In fact, such a lighthouse is the upper half of the lighthouse with a spherical field of view with modifications necessary to ensure its fastening on the surface of the earth. The use of beacons with an upper hemispherical field of view is advisable when landing helicopters and unmanned aerial vehicles, in particular in the field, if you need to quickly identify or change the landing zone.

Достаточно интересным для применения оказывается маяк с нижним полусферическим полем видимости, показанный на фиг. 5, В. Фактически, такой маяк представляет собой нижнюю половину маяка со сферическим полем видимости, также крепится на столбе или стержне и может иметь защиту от осадков. Использование маяков с нижним полусферическим полем видимости удобно при автоматизации движения объектов по траекториям, лежащим заведомо ниже точки крепления маяка, например, при автоматизации навигации морских и речных судов по фарватерам, перемещения автомобилей по автодорогам, размещения автомобилей на автостоянках. Использование маяка с нижним полусферическим полем видимости для всех этих трех целей одновременно показано на фиг. 10.A beacon with a lower hemispherical field of view, shown in FIG. 5, B. In fact, such a lighthouse is the lower half of the lighthouse with a spherical field of view, is also mounted on a pole or rod and may be protected from precipitation. The use of lighthouses with a lower hemispherical field of view is convenient for automating the movement of objects along trajectories lying obviously lower than the point of attachment of the lighthouse, for example, for automating navigation of sea and river vessels along fairways, moving cars along highways, and placing cars in car parks. The use of a beacon with a lower hemispherical field of view for all these three purposes is simultaneously shown in FIG. 10.

На фиг. 5, Г, Д, показан в различных положениях в пространстве один и тот же маяк, состоящий из двух секций оптического маяка со сферическим полем видимости и имеющий поле видимости, равное четверти сферы. Расположение маяка, показанное на фиг. 5, Г, идеально подходит для крепления на стыке стены и потолка. Такое крепление может быть использовано, скажем, при автоматизации движения транспорта на Т-образных перекрестках в производственных помещениях. При другом расположении в пространстве, показанном на фиг. 5, Д, тот же самый маяк, состоящий из двух секций оптического маяка сферического поля зрения, удобен для закрепления и может использоваться на обочинах автодорог в дополнение или в качестве замены обыкновенных дорожных отражателей. На автодорогах, оборудованных такими оптическими маяками возможна организация автоматической навигации транспортных средств. Применение маяков с полем видимости в четверть сферы как в расположении 5, Г, так и в расположении 5, Д, иллюстрируется на фиг. 11.In FIG. 5, D, D, the same beacon is shown in different positions in space, consisting of two sections of an optical beacon with a spherical field of view and having a field of view equal to a quarter of the sphere. The location of the beacon shown in FIG. 5, D, ideal for mounting at the junction of the wall and ceiling. Such a fastener can be used, say, to automate the movement of vehicles at T-junctions in industrial premises. With a different arrangement in the space shown in FIG. 5D, the same lighthouse, consisting of two sections of an optical beacon of a spherical field of view, is convenient for fixing and can be used on roadsides in addition to or as a replacement for ordinary road reflectors. On roads equipped with such optical beacons, the organization of automatic navigation of vehicles is possible. The use of beacons with a quarter-field of view at both location 5, D and location 5, D is illustrated in FIG. eleven.

Наконец, оптический маяк, изображенный на фиг. 5, Е, состоит всего из одной секции оптического маяка со сферическим полем видимости, имеет поле видимости в одну восьмую сферы и, фактически, является уголковым отражателем, дополненным меткой. Маяк, изображенный на фиг. 5, Е, удобно использовать для закрепления в углах помещений, образованных стыком двух стен и потолка. В гараже закрепленный таким образом маяк может служить как (пассивная) часть системы автоматической парковки транспортного средства, которое водитель подогнал к воротам гаража. Использование оптического маяка с полем видимости в одну восьмую сферы внутри жилых или нежилых помещений позволяет также автоматизировать любые операции, связанные с перемещением внутри этих помещений механических средств, например таким образом может быть полностью автоматизирована уборка помещения. Использование маяков с полем видимости в одну восьмую сферы иллюстрируется на фиг. 12.Finally, the optical beacon shown in FIG. 5, E, consists of only one section of an optical beacon with a spherical field of view, has a field of view of one-eighth of a sphere and, in fact, is a corner reflector, supplemented by a mark. The lighthouse of FIG. 5, E, it is convenient to use for fixing in the corners of the rooms formed by the junction of two walls and the ceiling. In a garage, a lighthouse secured in this way can serve as a (passive) part of the vehicle’s automatic parking system, which the driver has fitted to the garage door. The use of an optical beacon with a field of view of one-eighth of a sphere inside residential or non-residential premises also allows you to automate any operations associated with the movement of mechanical means inside these rooms, for example, cleaning of the room can be fully automated. The use of beacons with a one-eighth field of view scope is illustrated in FIG. 12.

При работе универсальной оптической навигационной системы луч, отраженный оптическим маяком 1, используется ОЭС навигации 2 для формирования (на фотоприемной матрице) изображения маяка 1. Далее по этому изображению ОЭС навигации 2 определяет углы разворота маяка относительно оси визирования и тем самым свое собственное положение в системе координат маяка. Фиг. 6 демонстрирует различия в изображениях двух маяков со сферическим полем видимости. В конструкции одного из этих маяков в качестве вспомогательных уголковых отражателей, реализующих метки Б и М, используются обычные уголковые отражатели без усеченных вершин. В конструкции другого маяка вершины вспомогательных уголковых отражателей усечены и вспомогательные уголковые отражатели каждой секции маяка подобны базовому уголковому отражателю той же секции.When the universal optical navigation system is in operation, the beam reflected by the optical beacon 1 is used by the OES of navigation 2 to form (on the photodetector matrix) an image of the beacon 1. Next, from this image, the OES of navigation 2 determines the angles of the beacon's rotation relative to the axis of sight and thereby its own position in the system coordinates of the lighthouse. FIG. 6 shows the differences in images of two beacons with a spherical field of view. In the design of one of these beacons, ordinary corner reflectors without truncated vertices are used as auxiliary corner reflectors that realize the marks B and M. In the design of another beacon, the vertices of the auxiliary corner reflectors are truncated and the auxiliary corner reflectors of each section of the beacon are similar to the base corner reflector of the same section.

На фиг. 6, А, показано полное изображение оптического маяка со сферическим полем видимости, в конструкции которого используются вспомогательные уголковые отражателями без усеченных вершин. Это изображение состоит из четырех изображений 7 базовых уголковых отражателей 4 и шести изображений 8 вспомогательных уголковых отражателей 5 и 6. Для удобства изображения 8, являющиеся довольно мелкими на фиг. 6, А, показаны на фиг. 6, Б, в увеличенном виде. На фиг. 6, В, показано полное изображение оптического маяка со сферическим полем видимости, в конструкции которого роль меток Б и М выполняют вспомогательные уголковые отражатели с усеченными вершинами, причем вспомогательные уголковые отражатели каждой секции подобны базовому уголковому отражателю этой секции. На фиг. 6, Г, изображения 8, являющиеся мелкими на фиг 6, В, показаны в увеличенном виде.In FIG. 6A, a full image of an optical beacon with a spherical field of view is shown, the construction of which uses auxiliary corner reflectors without truncated vertices. This image consists of four images 7 of the basic corner reflectors 4 and six images 8 of the auxiliary corner reflectors 5 and 6. For convenience, the images 8, which are rather small in FIG. 6A are shown in FIG. 6, B, enlarged view. In FIG. 6c, a full image of an optical beacon with a spherical field of view is shown, in the design of which the role of the marks B and M is played by auxiliary corner reflectors with truncated vertices, and the auxiliary corner reflectors of each section are similar to the basic corner reflector of this section. In FIG. 6D, images 8, which are small in FIGS. 6, B, are shown in enlarged view.

Легко видеть, что для каждой секции оптического маяка, изображенного на фиг. 6, В, Г, форма изображений 8 вспомогательных уголковых отражателей с усеченными вершинами в точности совпадает с формой изображения 7 базового уголкового отражателя той же самой секции - эти изображения подобны и отличаются только размерами. Это облегчает распознавание изображений 8 вспомогательных уголковых отражателей, реализующих метки Б и М, что особенно важно для секций с наборами меток Б∅∅ и М∅∅, а также ББ∅ и ММ∅, где в наборе присутствуют метки только одного типа (Б или М). Подобие изображений позволяет в этом случае привязать размеры изображений 8 меток к размеру изображения 7 базового уголкового отражателя, например можно изготовить вспомогательные уголковые отражатели, реализующие метки, таким образом, чтобы площадь изображения метки Б составляла 1/20, а площадь изображения метки М - 1/40 от площади изображения базового уголкового отражателя.It is easy to see that for each section of the optical beacon shown in FIG. 6, B, D, the shape of the images of 8 auxiliary corner reflectors with truncated vertices exactly coincides with the image form 7 of the base corner reflector of the same section - these images are similar and differ only in size. This facilitates the recognition of images of 8 auxiliary corner reflectors that realize marks B and M, which is especially important for sections with sets of marks B∅∅ and M∅∅, as well as BB∅ and MM∅, where only one type of mark is present in the set (B or M). The similarity of the images makes it possible in this case to attach the image sizes of 8 marks to the size of the image 7 of the base corner reflector, for example, auxiliary corner reflectors that realize marks can be made so that the image area of mark B is 1/20 and the image area of mark M is 1 / 40 from the image area of the base corner reflector.

Использование в качестве меток Б и М вспомогательных уголковых отражателей без усеченных вершин технологически проще и по-прежнему допускает распознавание изображений меток Б и М. Однако, как показывают фиг. 6, А, Б, в этом случае формы изображений 8 меток одной секции подобны друг другу, но отличаются от формы изображения 7 базового уголкового отражателя той же секции, поэтому распознавание меток требует более сложного алгоритмического обеспечения. Для упрощения будем предполагать, что везде далее используются оптические маяки, в каждой секции которых вспомогательные уголковые отражатели, реализующие метки Б и М, выполнены с усеченными вершинами и подобны базовому уголковому отражателю этой секции. В качестве изображений оптических маяков везде далее будут использоваться изображения типа приведенного на фиг. 6, В.The use of auxiliary corner reflectors without truncated vertices as marks B and M is technologically simpler and still allows image recognition of marks B and M. However, as shown in FIG. 6, A, B, in this case, the image forms of 8 marks of one section are similar to each other, but differ from the shape of the image 7 of the base corner reflector of the same section, so label recognition requires more complex algorithmic support. To simplify, we will assume that everywhere further optical beacons are used, in each section of which auxiliary corner reflectors that realize marks B and M are made with truncated vertices and are similar to the base corner reflector of this section. As images of optical beacons, images of the type shown in FIG. 6, B.

На фиг. 7 показано применение оптического маяка 1 со сферическим полем видимости типа 5, А (типа маяка, изображенного на фиг. 5, А), в космическом пространстве. В данном случае маяк используется для осуществления автоматической навигации стыковочного модуля в районе вынесенных элементов конструкции орбитальной станции к узлу стыковки. Фиг. 7, А, где показано взаимное расположение станции, маяка и модуля, демонстрирует одно из основных преимуществ универсальной оптической системы навигации: оптический маяк 1 и узел стыковки пространственно разнесены, узел стыковки находится на корпусе орбитальной станции, а маяк 1 является одним из вынесенных элементов конструкции. Тем не менее, как только маяк 1 попадает в поле зрения ОЭС навигации 2 стыковочного модуля, дальнейшая навигация модуля выполняется автоматически. При этом используется система координат оптического маяка 1. Расположение стыковочного узла и вынесенных элементов конструкции станции не меняется, поэтому данные об их координатах в системе координат маяка 1 ОЭС навигации 2 имеет заранее или получает при подлете к орбитальной станции. Данные о текущих координатах модуля в системе координат маяка 1 ОЭС навигации 2 получает, освещая маяк 1 лучом света и обрабатывая световой луч, возвращаемый маяком 1. Располагая данными как о текущих координаты модуля, так и координатах стыковочного узла и вынесенных элементов конструкции орбитальной станции, ОЭС навигации 2 формирует безопасную траекторию движения модуля к узлу стыковки.In FIG. 7 shows the use of an optical beacon 1 with a spherical field of view of type 5, A (such as the beacon shown in Fig. 5, A), in outer space. In this case, the beacon is used for automatic navigation of the docking module in the area of remote structural elements of the orbital station to the docking station. FIG. 7A, where the relative position of the station, the beacon and the module is shown, shows one of the main advantages of the universal optical navigation system: the optical beacon 1 and the docking station are spatially separated, the docking station is on the orbital station building, and beacon 1 is one of the remote structural elements . However, as soon as beacon 1 comes into view of the ECO of navigation 2 of the docking module, further navigation of the module is automatic. In this case, the coordinate system of the optical beacon 1 is used. The location of the docking unit and the removed structural elements of the station does not change, therefore, the coordinates of the coordinate system in the beacon 1 of the OES of navigation 2 are available in advance or received when approaching the orbital station. OEC navigation 2 receives data on the module’s current coordinates in the coordinate system of lighthouse 1 by illuminating lighthouse 1 with a light beam and processing the light beam returned by lighthouse 1. Having data on both the module’s current coordinates and the coordinates of the docking station and remote structural elements of the orbital station, ECO Navigation 2 forms a safe trajectory of the module to the docking station.

Как уже отмечалось ранее, информация, получаемая ОЭС навигации 2 модуля при обработке светового луча, возвращенного оптическим маяком 1, состоит из дальности до маяка и угловых координат направления на модуль в системе координат маяка 1. Дальность до маяка 1 определяется дальномером, входящим в состав ОЭС навигации 2. Угловые координаты модуля получаются с помощью обработки изображений маяка в ОЭС навигации 2, представленных на фиг. 7, Б, для положений (1)-(7) модуля на траектории его движения, изображение для положения (1) расположено немного обособленно. Алгоритм обработки одного изображения иллюстрируется на фиг. 7, В, для положения (1) стыковочного модуля и состоит из следующих этапов.As noted earlier, the information obtained by the ECO of navigation 2 of the module when processing the light beam returned by the optical beacon 1 consists of the distance to the beacon and the angular coordinates of the direction to the module in the coordinate system of beacon 1. The distance to beacon 1 is determined by the range finder included in the ECO Navigation 2. The angular coordinates of the module are obtained by processing images of the beacon in the OES of navigation 2 shown in FIG. 7, B, for the positions (1) - (7) of the module on the trajectory of its movement, the image for position (1) is located a little apart. A single image processing algorithm is illustrated in FIG. 7, B, for the position (1) of the docking module and consists of the following steps.

1) Выделить изображение 7 базового уголкового отражателя, имеющего наибольшую площадь. Изображение 7 наибольшей площади создается базовым уголковым отражателем, расположенным в секции маяка, соответствующей сектору пространства, в котором модуль находится в данный момент времени, то есть в котором находится положение (1).1) Select image 7 of the base corner reflector having the largest area. Image 7 of the largest area is created by the base corner reflector located in the section of the beacon corresponding to the sector of space in which the module is at a given moment in time, that is, in which position (1) is located.

2) Выделить изображения вспомогательных уголковых отражателей, реализующих метки для секции базового уголкового отражателя. Эти изображения расположены вокруг изображения 7 базового уголкового отражателя и образуют характерный треугольник 9, который далее называется треугольником меток. Метки треугольника 9 определяют сектор пространства, в котором находится модуль. На фиг. 7, В, в треугольник меток 9 входят метки ББМ. Это означает, что модуль находится в ВЮЗ (верхнем юго-западном секторе) системы координат маяка 1.2) Select images of auxiliary corner reflectors that implement labels for the section of the base corner reflector. These images are located around the image 7 of the base corner reflector and form a characteristic triangle 9, which is further called the triangle of marks. The labels of triangle 9 define the sector of space in which the module is located. In FIG. 7, B, the BBM marks are included in the triangle of marks 9. This means that the module is located in the high school (upper south-western sector) of the coordinate system of lighthouse 1.

3) Определить точные угловые координаты модуля в секторе ВЮЗ, а значит и системе координат маяка с помощью анализа формы выделенного изображения 7 базового уголкового отражателя, имеющего наибольшую площадь. Изображение базового уголкового отражателя наибольшей площади имеет форму шестиугольника, имеющего три пары параллельных сторон. Определение угловых координат модуля в системе координат маяка выполняется так, как это описано в патенте RU 2556282 С1, по наклонам сторон шестиугольника, выделенных на фиг. 7, В, линиями.3) Determine the exact angular coordinates of the module in the HEI sector, and therefore the lighthouse coordinate system, by analyzing the shape of the selected image 7 of the base corner reflector having the largest area. The image of the base corner reflector of the largest area has the shape of a hexagon having three pairs of parallel sides. The determination of the angular coordinates of the module in the coordinate system of the beacon is performed as described in patent RU 2556282 C1, by the slopes of the sides of the hexagon highlighted in FIG. 7, B, by lines.

Необходимо обратить внимание на изображения маяка, которое ОЭС навигации 2 стыковочного модуля получает в положениях (8) и (9) на траектории движения модуля - на фиг. 7, Б, эти положения обведены пунктиром и выделены штриховкой. Каждое из этих изображений содержит сразу два изображения базовых уголковых отражателей маяка, имеющих форму четко выраженного шестиугольника. В этом случае координаты модуля в системе координат маяка могут быть определены двумя способами - по каждому из этих шестиугольников, что повышает надежность системы. Очевидно, что такие подобные изображения маяка, допускающие дублирование информации, возникают, когда показатель преломления уголковых отражателей маяка превосходит показатель преломления среды, а модуль находится вблизи границы двух или более секторов маяка.It is necessary to pay attention to the images of the beacon that the navigation ECO 2 of the docking module receives at positions (8) and (9) on the module's path of movement — in FIG. 7b, these positions are outlined by a dotted line and highlighted by hatching. Each of these images contains two images of the basic corner reflectors of the lighthouse, which have the shape of a pronounced hexagon. In this case, the coordinates of the module in the coordinate system of the beacon can be determined in two ways - for each of these hexagons, which increases the reliability of the system. Obviously, such similar images of the lighthouse that allow duplication of information occur when the refractive index of the corner reflectors of the lighthouse exceeds the refractive index of the medium, and the module is located near the boundary of two or more sectors of the lighthouse.

Наибольшее количество секторов (по 4 сектора) пересекаются по направлениям В (верх) - Н (низ), С (север) - Ю (юг) и З (запад) - В (восток). Вблизи этих направлений оптический маяк обеспечивает наибольшее 4-кратное дублирование информации. Эту особенность универсальной оптической системы иллюстрирует фиг. 8 для случая посадки самолета.The largest number of sectors (4 sectors each) intersect in the directions B (top) - H (bottom), C (north) - S (south) and W (west) - B (east). Near these directions, the optical beacon provides the largest 4-fold duplication of information. This feature of the universal optical system is illustrated in FIG. 8 for an airplane landing case.

На фиг. 8, А, показана траектория захода на посадку и приземления в аэропорту самолета с установленной на нем ОЭС навигации 2. Оптический маяк 1 со сферическим полем видимости типа 5, А, установлен на возвышении, так чтобы он мог обслуживать сразу несколько ВПП аэропорта. Самолет осуществляет посадку на одну из этих ВПП, расположенную таким образом, что направление З (запад) - В (восток) маяка 1 совпадает с направлением ВПП, поэтому при заходе на посадку на эту ВПП (независимо с какой стороны) при снижении самолета по глиссаде он все время находится вблизи направления З (запад) - В(восток) оптического маяка 1. При направлении ветра, показанном на фиг. 8, А, самолет заходит на посадку с востока; на траектории его движения отмечены положения (1)-(10). В положениях (1)-(7) самолет выполняет выход на глиссаду, в положении (8) начинает снижение по глиссаде, в положении (9) касается ВПП, в положении (10) останавливается в конце ВПП.In FIG. 8A shows the approach and landing trajectory of an airplane at the airport with navigation ECO 2 installed on it. Optical beacon 1 with a spherical field of view of type 5, A is installed at an elevation so that it can serve several airport runways at once. The aircraft lands on one of these runways, located in such a way that the direction Z (west) - B (east) of lighthouse 1 coincides with the direction of the runway, therefore, when approaching this runway (regardless from which side) when the plane descends along the glide path it is always near the direction Z (west) - B (east) of the optical beacon 1. With the wind direction shown in FIG. 8A, the plane lands from the east; positions (1) - (10) are marked on the trajectory of its movement. In positions (1) - (7), the plane exits to the glide path, in position (8) it begins to descend along the glide path, in position (9) it touches the runway, and in position (10) it stops at the end of the runway.

На фиг. 8, Б, показаны изображения оптического маяка 1, полученные в положениях (1)-(10) ОЭС навигации 2 самолета, используемой для автоматического управления посадкой самолета. Изображения маяка 1 в положениях (8) и (9), соответствующих началу и окончанию наиболее ответственного участка движения самолета по глиссаде, на фиг. 8, Б, обведены пунктиром и выделены штриховкой. Видно, что в положениях (8) и (9) изображения сразу четырех базовых уголковых отражателей оптического маяка 1 имеют форму четко выраженного шестиугольника. Следовательно, в положениях (8) и (9) и везде между ними, то есть на всем участке снижения по глиссаде, универсальная оптическая навигационная система обеспечивает максимальное 4-кратное дублирование информации.In FIG. 8b, images of the optical beacon 1 obtained in positions (1) - (10) of the OES of navigation 2 of the aircraft used for automatic control of the landing of the aircraft are shown. Images of lighthouse 1 at positions (8) and (9), corresponding to the beginning and end of the most critical section of the aircraft’s movement along the glide path, in FIG. 8, B, are dotted and highlighted by hatching. It can be seen that in positions (8) and (9), the images of four basic corner reflectors of the optical beacon 1 at once have the shape of a pronounced hexagon. Therefore, in positions (8) and (9) and everywhere between them, that is, on the entire descending path along the glide path, the universal optical navigation system provides maximum 4-fold duplication of information.

На фиг. 8, В, находящейся в окружении изображений фиг. 8, Б, приведен вариант отображения данных о работе ОЭС навигации 2, которые могут выводиться на экран визуального контроля в кабину пилотов. Этот вариант представляет собой изображение маяка 1 для текущего положения самолета (в данном случае для положения (8)), снабженное дополнительной графической и текстовой информацией. Две пунктирные линии разделяют все изображение маяка на четыре части, соответствующие четырем секциям маяка, видимым из положения (8). Буквы Б, М и символ ∅ используются вне центральной части экрана для обозначения меток секций. В четырех углах экрана приведены сокращения ББ∅ - ВЮВ, Б∅∅ - ВСВ, Б∅М - НЮВ, М∅∅ - НСВ. Эти сокращения обозначают наборы меток, входящие в видимые секции маяка и соответствующие этим меткам секторы пространства. Две стрелки в левой нижней части иллюстрируют правильное определение набора меток Б∅М: начиная с метки Б, по часовой стрелке. При перечислении меток против часовой стрелки этот набор определился бы неправильно как БМ∅, что соответствовало бы сектору пространства ВСЗ. Каждое из четырех изображений базовых уголковых отражателей выделено тремя прямыми линиями. Это означает, что каждое из этих изображений распознано ОЭС навигации 2 как шестигранник, стороны которого параллельны линиям. Три линии рядом с изображением базового уголкового отражателя, расположенного справа сверху, то есть в секторе ВСВ, являются более толстыми и проведены на более значительном расстоянии от граней шестигранника. Это означает, что, определяя точное угловое положение самолета, из четырех возможных вариантов ОЭС навигации 2 в данном случае выбрала для обработки изображение базового уголкового отражателя, соответствующего сектору ВСВ. Результат обработки приведен здесь же - это азимут α=175°03'00ʺ и угол места α=1°41'23ʺ направления на самолет в системе координат маяка 1.In FIG. 8B surrounded by the images of FIG. 8, B, there is an option to display data on the operation of the OES navigation 2, which can be displayed on the visual control screen in the cockpit. This option is an image of lighthouse 1 for the current position of the aircraft (in this case, for position (8)), equipped with additional graphic and textual information. Two dashed lines divide the entire image of the lighthouse into four parts, corresponding to the four sections of the lighthouse visible from position (8). The letters B, M and the symbol ∅ are used outside the center of the screen to indicate section labels. In the four corners of the screen are abbreviations BB∅ - VYuV, Б∅∅ - ВСВ, Б∅М - НЮВ, М∅∅ - НСВ. These abbreviations denote sets of labels that are included in the visible sections of the beacon and the corresponding sectors of space. The two arrows in the lower left illustrate the correct definition of the set of labels B∅M: starting from label B, clockwise. When enumerating labels counterclockwise, this set would be incorrectly defined as BM∅, which would correspond to the space sector of the WAZ. Each of the four images of the base corner reflectors is highlighted by three straight lines. This means that each of these images is recognized by OES Navigation 2 as a hexagon, the sides of which are parallel to the lines. The three lines next to the image of the base corner reflector located on the upper right, that is, in the BCB sector, are thicker and drawn at a greater distance from the faces of the hexagon. This means that, in determining the exact angular position of the aircraft, of the four possible options for the OES of navigation 2, in this case, I chose for processing the image of the base corner reflector corresponding to the SES sector. The processing result is shown here - this is the azimuth α = 175 ° 03'00ʺ and the elevation angle α = 1 ° 41'23ʺ of the direction to the plane in the coordinate system of lighthouse 1.

Фиг. 9 иллюстрирует использование универсальной оптической навигационной системы для управления посадкой вертолета на палубу раскачивающегося на волнах корабля. Для сравнения на фиг. 9 показана работа сразу двух оптических маяков: маяка со сферическим полем видимости, закрепленным на одной из мачт корабля, и маяка с верхним полусферическим полем видимости, закрепленного непосредственно на палубе. На фиг. 9, А, изображена траектория вертолета при посадке, на которой отмечены положения вертолета (1)-(7). В положениях (5) и (6) вертолет находится в одной и той же точке в пространстве в разные моменты времени, в этой точке вертолет зависает над палубой и оценивает ее раскачивание.FIG. 9 illustrates the use of a universal optical navigation system for controlling the landing of a helicopter on the deck of a ship swaying on the waves. For comparison, in FIG. Figure 9 shows the operation of two optical beacons at once: a beacon with a spherical field of view mounted on one of the masts of the ship, and a beacon with an upper hemispherical field of view mounted directly on the deck. In FIG. 9A, the helicopter trajectory during landing is shown, in which the positions of the helicopter (1) - (7) are marked. In positions (5) and (6), the helicopter is at the same point in space at different points in time, at this point the helicopter hangs over the deck and estimates its swing.

На фиг. 9, Б, приведены изображения маяка 1 со сферическим полем видимости типа 5, А, закрепленного на мачте над палубой корабля, для положений (1)-(7) вертолета на траектории его посадки. Изображения маяка для положений (5) и (6) на фиг 9, Б, обведены пунктиром и выделены штриховкой - эти изображения различаются, несмотря на то, что в положениях (5) и (6) вертолет находится в одной и той же точке пространства. Различие изображений для положений (5) и (6) вызвано раскачиванием палубы корабля - ОЭС навигации 2, установленная на вертолете, использует это для оценки параметров качки.In FIG. 9, B, images of lighthouse 1 with a spherical field of view of type 5, A mounted on a mast above the deck of a ship are shown for positions (1) - (7) of a helicopter on its landing path. Images of the lighthouse for positions (5) and (6) in Fig. 9, B are dotted and shaded - these images are different, despite the fact that in positions (5) and (6) the helicopter is at the same point in space . The difference in images for positions (5) and (6) is caused by the swinging of the ship’s deck — navigation OES 2, mounted on a helicopter, uses this to estimate the rolling parameters.

Вместо маяка 1 со сферическим полем видимости типа 5, А, для посадки вертолета на палубу корабля можно использовать маяк 1 с верхним полусферическим полем видимости типа 5, Б. В этом случае маяк располагается непосредственно на палубе. Для сравнения на фиг. 9, В, приведены изображения маяка 1 с верхним полусферическим полем видимости, полученные ОЭС навигации 2 для положений (1)-(7) вертолета на траектории его посадки. Опять-таки, различие в обведенных пунктиром и заштрихованных изображениях для положений (5) и (6), когда вертолет зависает над палубой, используется ОЭС навигации 2, установленной на вертолете, для оценки параметров раскачивания корабля.Instead of lighthouse 1 with a spherical field of view of type 5, A, for landing a helicopter on the deck of a ship, you can use lighthouse 1 with an upper hemispherical field of view of type 5, B. In this case, the lighthouse is located directly on the deck. For comparison, in FIG. 9, B, images of a lighthouse 1 with an upper hemispherical field of view, obtained by the OES of navigation 2 for the positions (1) - (7) of the helicopter along its landing path, are shown. Again, the difference in the dotted and shaded images for positions (5) and (6), when the helicopter hovering above the deck, uses the navigation OES 2 installed on the helicopter to estimate the rocking parameters of the ship.

Фиг. 10 демонстрирует применение оптического маяка 1 с нижним полусферическим полем видимости типа 5, В, одновременно для нескольких целей. На фиг. 10, А, показана схема расположения маяка. Маяк 1 закреплен на столбе, установленном на берегу моря; вблизи проходит автодорога; непосредственно за маяком находится автостоянка. Расположенный таким образом маяк может использоваться одновременно и независимо друг от друга, например для автоматической навигации судов по проходящему рядом с берегом морскому фарватеру, для автоматического управления автомобилями на близлежащем участке автодороги и для автоматической парковки автомобилей, прибывающих на находящуюся за маяком автостоянку.FIG. 10 shows the use of an optical beacon 1 with a lower hemispherical field of view of type 5, B, simultaneously for several purposes. In FIG. 10A, a lighthouse layout is shown. Lighthouse 1 is mounted on a post installed on the seashore; a motorway passes nearby; There is a car park directly behind the lighthouse. A lighthouse located in such a way can be used simultaneously and independently of each other, for example, for automatic navigation of ships along the sea fairway passing near the shore, for automatic control of cars in a nearby section of the road and for automatic parking of cars arriving at a parking lot located behind the lighthouse.

На фиг. 10, Б, показаны изображения маяка 1, полученные ОЭС навигации 2 судна в те моменты времени, когда оно находится в положениях (1)-(8) на своем пути к причалу по фарватеру, расположенному в прибрежной зоне среди отмелей. Для того чтобы подчеркнуть динамику изменений, на каждом из этих изображений штриховыми линиями выделен треугольник, указывающий на расположение секции маяка с метками Б0М, соответствующей сектору пространства НЮВ.In FIG. 10, B, images of lighthouse 1 obtained by the OES of navigation 2 of the vessel at those times when it is in positions (1) - (8) on its way to the pier along the fairway located in the coastal zone among the shallows are shown. In order to emphasize the dynamics of changes, a triangle is indicated by dashed lines in each of these images, indicating the location of the section of the lighthouse with the B0M marks, corresponding to the sector of the SEC space.

На фигуре 10, В, показаны изображения маяка 1, полученные ОЭС навигации 2, установленной автобусе, для положений автобуса (1)-(8) на траектории его движения. Автобус сначала двигается по автодороге в сторону порта (положения (1)-(3)), затем съезжает на грунтовую дорогу (положения (4), (5)) и, наконец, останавливается на расположенной за маяком автостоянке (положения (6)-(8)). Выделенные сплошными линиями треугольники на изображениях маяка для положений автобуса (1)-(6) указывают на расположение секции маяка с метками М∅∅, соответствующей сектору пространства НСВ. Выделенные штриховыми линиями треугольники на изображениях маяка для положений автобуса (6)-(8) указывают на расположение секции маяка с метками ММ∅, соответствующей сектору пространства НСЗ.Figure 10, B, shows the images of the lighthouse 1 obtained by the OES of navigation 2 installed by the bus for the positions of the bus (1) - (8) on the trajectory of its movement. The bus first moves along the road towards the port (positions (1) - (3)), then drives off onto a dirt road (positions (4), (5)) and finally stops at the parking lot located behind the lighthouse (positions (6) - (8)). The triangles highlighted by solid lines in the images of the lighthouse for the bus positions (1) - (6) indicate the location of the lighthouse section with marks М мет corresponding to the NSV space sector. The triangles highlighted by dashed lines in the images of the lighthouse for the bus positions (6) - (8) indicate the location of the lighthouse section with ММ∅ marks corresponding to the space sector of the NHA.

Фиг. 11 иллюстрирует применение оптических маяков с полем видимости в четверть сферы типа 5, Г, Д, состоящих из двух секций маяка со сферическим полем видимости. Такие маяки могут быть полезны при организации автоматического управления движением транспортных средств в производственных помещениях, в районе сельскохозяйственных угодий или вдоль автодорог.FIG. 11 illustrates the use of optical beacons with a quarter field of view type 5, D, D spheres consisting of two sections of a beacon with a spherical field of view. Such beacons can be useful in organizing automatic control of the movement of vehicles in industrial premises, in the area of agricultural land or along highways.

На фиг. 11, А, показано использование маяка 1 с полем видимости в четверть сферы типа 5, Г, для автоматизации движения транспорта на Т-образном перекрестке в производственном помещении. Транспортер с установленной на нем ОЭС навигации 2, используя маяк 1, автоматически определяет свое положение в пространстве, окружающем маяк, и таким образом автоматически движется к цели назначения в районе Т-образного перекрестка. Фиг. 11, А, содержит также изображения маяка 1 для трех различных положений (1), (2), (3) транспортера на траектории движения. Треугольники, выделенные на этих изображениях штриховыми линиями, демонстрируют изменение частей изображений, соответствующих одной из двух секции маяка 1.In FIG. 11, A, the use of lighthouse 1 with a quarter field of view type 5, G is shown to automate traffic at a T-junction in a production building. The conveyor with navigation ECO 2 installed on it, using beacon 1, automatically determines its position in the space surrounding the beacon, and thus automatically moves to the destination in the area of the T-shaped intersection. FIG. 11A, also contains images of lighthouse 1 for three different positions (1), (2), (3) of the conveyor on the trajectory of movement. The triangles highlighted in dashed lines in these images show a change in the parts of the images corresponding to one of the two sections of lighthouse 1.

Фиг. 11, Б, иллюстрирует использование маяка с полем видимости в четверть сферы типа 5, Г, для организации автоматической циркуляции сельскохозяйственной техники. В данном случае маяк 1 закреплен на столбе возле поля, что позволяет трактору с установленной на нем ОЭС навигации 2 обрабатывать поле в автоматическом режиме. Первый проход трактора по нужной траектории на поле может быть выполнен человеком, во время этого прохода ОЭС навигации 2 запоминает эту траекторию в системе координат маяка 1. Далее ОЭС навигации 2 использует маяк 1 для движения по той же самой траектории, но уже в автоматическом режиме. Фиг. 11, Б, содержит изображения маяка 1 для трех различных положений (1), (2), (3) трактора на траектории его движения. Для наглядности треугольники, выделенные на этих изображениях сплошными и штриховыми линиями, обозначают части изображений, соответствующих разным секциям маяка 1.FIG. 11, B, illustrates the use of a lighthouse with a quarter field of view type 5, D, for organizing automatic circulation of agricultural machinery. In this case, lighthouse 1 is mounted on a column near the field, which allows the tractor with automatic navigation system 2 installed on it to process the field in automatic mode. The first passage of the tractor along the desired path to the field can be performed by a person, during this passage the navigation ECO 2 remembers this path in the coordinate system of lighthouse 1. Next, the navigation ECO 2 uses beacon 1 to move along the same path, but in automatic mode. FIG. 11, B, contains images of lighthouse 1 for three different positions (1), (2), (3) of the tractor on its trajectory. For clarity, the triangles highlighted in these images by solid and dashed lines indicate the parts of the images corresponding to different sections of the lighthouse 1.

На фиг. 11, В, показано использование маяков с полем видимости в четверть сферы типа 5, Д, для организации движения транспорта на участке автодороги в автоматическом режиме. Для этого маяки через определенные промежутки закрепляются на ограждении автодороги, примерно там, где обычно находятся простые светоотражатели. Автомобиль с установленной на нем ОЭС навигации 2 следует по автодороге. Имея данные о схеме расположения маяков, ОЭС навигации 2 определяет расположение автомобиля на автодороге и управляет его движением по маяку 1, который в данный момент времени находится в поле зрения ОЭС навигации 2. На фиг. 11, В, показаны изображения маяка 1 для положения автомобиля (1), когда маяк 1 появляется в поле зрения ОЭС навигации 2, для положения (2), когда автомобиль проезжает напротив маяка 1, и для положения (3), когда маяк 1 выходит из поля зрения ОЭС навигации 2. Треугольниками, выделенными на этих изображениях сплошными и штриховыми линиями, обозначены части изображений, соответствующих разным секциям маяка 1. Когда маяк 1 выходит из поля зрения ОЭС навигации 2, в поле зрения ОЭС навигации 2 появляется следующий установленный по ходу движения автомобиля маяк и автомобиль продолжает движение по автодороге, ориентируясь далее по этому следующему маяку.In FIG. 11, C, the use of beacons with a quarter of a sphere of type 5, D visibility is shown for organizing traffic on a highway section in automatic mode. To do this, the lighthouses are fixed at certain intervals on the fence of the road, approximately where simple reflectors are usually located. A car with ECO navigation 2 installed on it follows the road. Having data on the layout of the beacons, the navigation ECO 2 determines the location of the vehicle on the highway and controls its movement along the beacon 1, which is currently in the field of view of the navigation ECO 2. In FIG. 11, B, images of lighthouse 1 are shown for the position of the car (1) when lighthouse 1 appears in the field of view of the navigation ECO 2, for position (2) when the car is passing opposite lighthouse 1, and for position (3) when lighthouse 1 is leaving from the field of view of the navigation ECO 2. Triangles highlighted by solid and dashed lines in these images indicate the parts of the images corresponding to different sections of lighthouse 1. When lighthouse 1 leaves the field of view of navigation ECO 2, the next installed along the line appears in the field of view of navigation ECO 2 car traffic ma and to the vehicle continues to move along the highway, focusing further on the next beacon.

Фиг. 12 иллюстрирует возможные способы использования оптических маяков типа 5, Е, состоящих из одной секции маяка со сферическим полем видимости и имеющих поле видимости в одну восьмую сферы. Маяки такого типа имеют форму тетраэдра, поэтому само собой напрашивается их закрепление во внутренних углах зданий, образованных двумя стенами и потолком. В гаражных боксах закрепленные таким образом маяки могут быть использованы для автоматической парковки автомобилей, а в других жилых или нежилых помещениях - для организации автоматического перемещения внутри помещения бытовой техники, например пылесосов или поломоечных машин.FIG. 12 illustrates possible methods of using optical beacons of type 5, E, consisting of one section of a beacon with a spherical field of view and having a field of view of one-eighth of a sphere. Lighthouses of this type have the form of a tetrahedron, therefore their fastening in the internal corners of buildings formed by two walls and a ceiling suggests itself. In garage boxes, beacons fixed in this way can be used for automatic parking of cars, and in other residential or non-residential premises - for organizing automatic movement of household appliances, such as vacuum cleaners or floor cleaning machines, inside the building.

Кроме того, компактная (плоская) форма светопроводящей грани маяка типа 5, Е, делает удобным их применение на плоских поверхностях во всех случая, когда нет необходимости в большом поле видимости. Одно из применений такого рода показано на фиг. 12, А. Здесь маяки 1 типа 5, Е, закреплены на задней поверхности автомобилей примерно там, где обычно расположены пассивные светоотражатели, кроме того, автомобили оснащены ОЭС навигации 2. Оборудованные таким образом автомобили могут образовывать транспортные колонны неограниченной длины, в которых только первый автомобиль управляется водителем, а все остальные следуют за ним в автоматическом режиме.In addition, the compact (flat) shape of the light guide face of the type 5, E beacon makes it convenient to use them on flat surfaces in all cases where there is no need for a large field of view. One application of this kind is shown in FIG. 12, A. Here, beacons 1 of type 5, E, are fixed on the rear surface of cars approximately where passive retro-reflectors are usually located, in addition, cars are equipped with navigation ECO 2. Vehicles equipped in this way can form transport columns of unlimited length, in which only the first the car is driven by the driver, and everyone else follows him automatically.

Две такие колонны показаны на фиг. 12, А, одна из них состоит из трех автомобилей, вторая из двух. Следующие друг за другом в колонне автомобили образуют пары, в которых автомобиль, идущий первым, является ведущим, а автомобиль, идущий вторым, - ведомым. В первой колонне таких пар две (1) и (2), во второй - одна (3). В каждой из этих пар ОЭС навигации 2 ведомого автомобиля периодически определяет положение и ориентацию в пространстве маяка 1, установленного на ведущем автомобиле. При стандартном расположении маяка 1, например, посередине задней поверхности автомобиля, этой информации достаточно, чтобы ОЭС навигации 2 провела ведомый автомобиль в точности по траектории и со скоростью движения ведущего автомобиля.Two such columns are shown in FIG. 12, A, one of them consists of three cars, the second of two. Cars following one after another in a column form pairs in which the car going first is the lead, and the car going second is the follower. There are two (1) and (2) such pairs in the first column, and one (3) in the second. In each of these pairs, the ECO navigation 2 of the driven vehicle periodically determines the position and orientation in space of the beacon 1 mounted on the driving vehicle. With the standard location of lighthouse 1, for example, in the middle of the rear surface of the car, this information is enough for ECO Navigation 2 to guide the slave car exactly along the trajectory and at the speed of the leading car.

Фиг. 12, А, включает примеры изображений маяков 1, полученных ОЭС навигации 2 ведомого автомобиля для пар (1), (2), (3). Обведенные пунктиром и выделенные штриховкой изображения для пар (1) и (2) практически идентичны, и до тех пор, пока автомобили движутся по прямому участку дороги, почти не меняются во времени. Небольшое различие изображений маяков для пар (1) и (2) обусловлено тем, что у идущего ведомым в паре (1) грузовика ОЭС навигации 2 располагается выше, чем у идущего ведомым в паре (2) легкового автомобиля. Значительное отличие изображения маяка для пары (3) от изображений для пар (1) и (2) обусловлено тем, что изображение для пары (3) получено в момент прохождения парой (3) поворота, когда ее ведущий автомобиль развернут относительно ведомого.FIG. 12A includes examples of images of lighthouses 1 obtained by the OEC of navigation 2 of a driven vehicle for pairs (1), (2), (3). The dashed and shaded images for pairs (1) and (2) are almost identical, and as long as the cars move along a straight section of the road, they almost do not change in time. A slight difference in the images of the beacons for pairs (1) and (2) is due to the fact that the ECO of the navigation vehicle 2 running in the pair (1) is higher than that of the passenger car going in the pair (2). The significant difference between the image of the lighthouse for the pair (3) and the images for the pairs (1) and (2) is due to the fact that the image for the pair (3) was obtained at the moment the pair (3) passed the turn when its driving car was deployed relative to the follower.

Фиг. 12, Б, иллюстрирует способ использования оптического маяка типа 5, Е, для автоматической парковки автомобиля. Маяк 1 закрепляется в дальнем верхнем углу гаражного бокса, образованном его задней и боковой стенками и крышей. Водитель подгоняет автомобиль с установленной на нем ОЭС навигации 2 к гаражному боксу таким образом, чтобы маяк 1 попал в поле зрения ОЭС навигации 2. Все остальное делает ОЭС навигации 2. Имея информацию о расположении маяка 1 в гаражном боксе и определяя свое собственное положение в системе координат, связанной с маяком 1, ОЭС навигации 2 рассчитывает траекторию заезда автомобиля в гаражный бокс и загоняет автомобиль в бокс по этой траектории в автоматическом режиме. Фиг. 12, Б, содержит изображения маяка 1, сформированные ОЭС навигации 2, для трех положений (1), (2), (3) на траектории заезда автомобиля в гаражный бокс.FIG. 12B illustrates a method of using an optical beacon of type 5, E for automatic parking of a car. Lighthouse 1 is fixed in the far upper corner of the garage box, formed by its rear and side walls and roof. The driver adjusts the car with the navigation ОES 2 installed on it to the garage box so that lighthouse 1 gets into the view of the navigation ОES 2. The rest is done by the navigation ОES 2. Having information about the location of lighthouse 1 in the garage box and determining its own position in the system coordinates associated with lighthouse 1, OES Navigation 2 calculates the path of arrival of the car in the garage box and drives the car into the box along this path in automatic mode. FIG. 12, B, contains images of lighthouse 1, formed by the OES of navigation 2, for three positions (1), (2), (3) on the path of the car entering the garage box.

На фиг. 12, В, показано использование оптического маяка типа 5, Е, внутри помещений. Маяк 1 закрепляется в одном из внутренних углов помещения, образованных стенами и потолком. Установленный таким образом маяк создает минимум помех. При этом он хорошо виден практически из любой точки помещения и может быть использован для автоматизации движения внутри помещения бытовой техники, например поломоечной машины, оснащенной ОЭС навигации 2. ОЭС навигации 2 определяет положение машины в системе координат маяка 1 и, имея информацию о параметрах помещения и месте закрепления маяка 1, перемещает поломоечную машину по заданной траектории внутри помещения. Фиг. 12, В, содержит изображения маяка 1, сформированные ОЭС навигации 2 для трех положений (1), (2), (3) машины на траектории ее перемещения по залу ожидания аэропорта или вокзала.In FIG. 12B shows the use of an optical type 5, E beacon indoors. Lighthouse 1 is fixed in one of the internal corners of the room, formed by walls and ceiling. A lighthouse installed in this way creates a minimum of interference. At the same time, it is clearly visible from almost anywhere in the room and can be used to automate the movement of household appliances inside the room, for example, a scrubber drier equipped with OES navigation 2. OES navigation 2 determines the position of the machine in the coordinate system of lighthouse 1 and, having information about the parameters of the room and the location of the lighthouse 1, moves the scrubber machine along a predetermined path indoors. FIG. 12, B, contains images of lighthouse 1 formed by navigation ECO 2 for three positions (1), (2), (3) of a car along its trajectory along the waiting room of an airport or railway station.

Наконец, фиг. 13 иллюстрирует применение маяка со сферическим полем видимости типа 5, А, вместо уголкового отражателя в системах контроля шести степеней свободы объекта, основанных на патенте RU 2556282 С1. В таких системах ОЭС 2 называется ОЭС контроля и закрепляется, как правило, неподвижно, например, на фиг. 13 ОЭС 2 встроена в персональный компьютер, а маяк 1 установлен на объекте, который перемещается в пространстве. Таким объектом может быть устройство ввода информации, например, в виде дирижерской палочки, привод станка или манипулятор робота, а также инструмент измерения поверхностей изделий в труднодоступных местах. В любом случае использование маяка со сферическим полем видимости вместо уголкового отражателя значительно расширяет диапазон различных положений объекта, в которых маяк 1 виден для ОЭС контроля 2 - фактически, маяк 1 становится видимым при любом положении объекта, в котором сам объект не перекрывает маяк 1.Finally, FIG. 13 illustrates the use of a beacon with a spherical field of view of type 5, A, instead of a corner reflector in monitoring systems of six degrees of freedom of an object, based on patent RU 2556282 C1. In such systems, the ECO 2 is called the ECO of control and is fixed, as a rule, motionless, for example, in FIG. 13 ECO 2 is built into a personal computer, and beacon 1 is installed on an object that moves in space. Such an object can be an information input device, for example, in the form of a conductor’s stick, a machine drive or a robot manipulator, as well as a tool for measuring the surfaces of products in hard-to-reach places. In any case, the use of a lighthouse with a spherical field of view instead of a corner reflector significantly expands the range of different positions of the object in which lighthouse 1 is visible to the ECO of control 2 - in fact, lighthouse 1 becomes visible at any position of the object in which the object itself does not overlap lighthouse 1.

Таким образом, конструкция оптического маяка с широким, в том числе, максимально широким - сферическим, полем видимости и использование такого оптического маяка вместо уголкового отражателя в способе определения пространственной ориентации объекта патента RU 2556282 С1 приводят к значительному расширению функциональных возможностей способа. В приложениях контроля положения объекта в пространстве, где маяк крепится на перемещающем объекте, это приводит к увеличению числа контролируемых ориентаций объекта в пространстве. Помимо приложений контроля появляется также значительное количество приложений навигационного характера, где маяк закрепляется неподвижно и задает систему координат, в которой перемещается объект. Сфера навигационных приложений охватывает любые перемещения объектов, простирается от автоматического пилотирования космических аппаратов до автоматического управления движением бытовой техники. При этом оптический маяк является пассивным, электромагнитное излучение радиодиапазона не используется вообще, а электромагнитное излучение оптического диапазона, за исключением очень непродолжительного периода поиска маяка, распространяется только вдоль прямой, соединяющей в данный момент времени маяк и объект. Это позволяет рассматривать использование оптического маяка, имеющего широкое поле видимости, со способом патента RU 2556282 С1 как универсальный, простой, надежный и, в дополнение к тому, экологичный способ управления движением объекта, имеющий широкий спектр применения.Thus, the design of an optical beacon with a wide, including as wide as possible - spherical field of view and the use of such an optical beacon instead of an angular reflector in the method for determining the spatial orientation of the object of patent RU 2556282 C1 leads to a significant expansion of the functionality of the method. In applications for monitoring the position of an object in space, where the beacon is mounted on a moving object, this leads to an increase in the number of controlled orientations of the object in space. In addition to control applications, a significant number of navigation applications also appear, where the beacon is fixed motionless and sets the coordinate system in which the object moves. The scope of navigation applications covers any movement of objects, ranging from automatic piloting of spacecraft to automatic control of the movement of household appliances. Moreover, the optical beacon is passive, the electromagnetic radiation of the radio range is not used at all, and the electromagnetic radiation of the optical range, with the exception of a very short search period of the beacon, propagates only along the straight line connecting the beacon and the object at a given time. This allows us to consider the use of an optical beacon with a wide field of view, with the method of patent RU 2556282 C1 as a universal, simple, reliable and, in addition, an environmentally friendly way to control the movement of an object with a wide range of applications.

Claims

A universal way to control the movement of an object using an optical navigation system, including

- manufacture and installation of navigation beacons in the movement zone of an object;

- search and detection of signals from navigation beacons;

- determination by these signals of the position of the object in space;

- the formation of control signals of the object to follow along a given path, characterized in that

- the design of the beacons is chosen passive;

- passivity design of the beacon provide angular reflectors of the optical range;

- corner reflectors perform two sizes, larger and smaller;

- the field of view of the lighthouse is formed, including in the design of the lighthouse from one to eight corner reflectors of a larger size;

- and the corner reflectors of a larger size are distinguished using the beacon marking system formed by the corner reflectors of a smaller size.