RU2767477C1 - Uav navigation method - Google Patents

Uav navigation method Download PDF

Info

Publication number
RU2767477C1
RU2767477C1 RU2021105334A RU2021105334A RU2767477C1 RU 2767477 C1 RU2767477 C1 RU 2767477C1 RU 2021105334 A RU2021105334 A RU 2021105334A RU 2021105334 A RU2021105334 A RU 2021105334A RU 2767477 C1 RU2767477 C1 RU 2767477C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
images
unmanned aerial
working
contours
maximum
Prior art date
Application number
RU2021105334A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Викторович Великанов
Игорь Николаевич Ищук
Андрей Михайлович Филимонов
Андрей Владимирович Парфирьев
Максим Александрович Лихачев
Богдан Константинович Тельных
Александр Александрович Зенкин
Андрей Игоревич Уваров
Original Assignee
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации filed Critical Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации
Priority to RU2021105334A priority Critical patent/RU2767477C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2767477C1 publication Critical patent/RU2767477C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64CAEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C39/00Aircraft not otherwise provided for
    • B64C39/02Aircraft not otherwise provided for characterised by special use
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Image Processing (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to autonomous navigation of drones based on optical images of the earth's surface. Method for autonomous navigation of unmanned aerial vehicles consists in the fact that reference and working images are obtained using optoelectronic systems in infrared range. Reference images are prepared based on the terrain thermal model by solving the direct problem of radiative heat transfer taking into account the incident solar radiation flux density, air temperature and flight altitude for given areas of the flight path and corresponding periods of astronomical time. Working images are recorded during shooting in nadir using optoelectronic systems in infrared range. Obtained reference and working infrared images are subjected to threshold processing, as a result of which reference and working matrices of reference points (contours) of objects are formed. Method includes calculating and finding the maximum of the two-dimensional matrix of the cross-correlation function, and estimating the geographical position of the maximum of the cross-correlation function from the reference matrix of reference points (contours). This estimate of the position of the maximum of the cross-correlation function is used for autonomous navigation of unmanned aerial vehicles based on data of measured values of heading, roll, pitch and altitude of the unmanned aerial vehicle.EFFECT: high accuracy of determining navigation parameters of an unmanned aerial vehicle under conditions of incorrect operation of a global satellite navigation system receiver.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области автономной навигации беспилотных летательных аппаратов по оптическим изображениям земной поверхности.The invention relates to the field of autonomous navigation of unmanned aerial vehicles on optical images of the earth's surface.

Известен способ навигации по радиолокационным изображениям, описанный в патенте US №5430445, 12.31.1992, G01S 13/90, в котором эталонное радиолокационное изображение формируется на основе предварительно полученного фотоснимка заданного участка земной поверхности. Процедура подготовки эталона состоит из четырех этапов: перевод фотоснимка в цифровую форму с помощью сканера, выбор участка сцены для формирования эталона, оконтуривание и классификация информативных деталей, генерация эталонного радиолокационного изображения. Затем радиолокационное изображение обрабатывается с целью выделения информативных признаков. Такими признаками служат локальные градиенты яркости. После данной процедуры эталонное радиолокационное изображение представляет собой совокупность объектов, описывающих границы положительных и отрицательных перепадов яркости. Обработанное эталонное радиолокационное изображение передается в память бортового вычислителя летательного аппарата и используется при корреляционном сопоставлении с рабочим радиолокационным изображением.A known method of navigating radar images is described in US patent No. 5430445, 12.31.1992, G01S 13/90, in which the reference radar image is formed on the basis of a previously obtained photograph of a given area of the earth's surface. The standard preparation procedure consists of four stages: digitizing a photograph using a scanner, selecting a section of the scene for forming a standard, contouring and classifying informative details, and generating a reference radar image. Then the radar image is processed in order to extract informative features. Such signs are local brightness gradients. After this procedure, the reference radar image is a set of objects that describe the boundaries of positive and negative brightness changes. The processed reference radar image is transferred to the memory of the onboard computer of the aircraft and is used for correlation comparison with the working radar image.

В результате обработки создается корреляционная матрица двух изображений. После поиска максимального значения совпадений информативных объектов эталонного и рабочего радиолокационного изображения производится оценка координат опорной точки (контура) с учетом ошибок инерциальной навигационной системы.As a result of processing, a correlation matrix of two images is created. After searching for the maximum value of coincidences of informative objects of the reference and working radar image, the coordinates of the reference point (contour) are estimated, taking into account the errors of the inertial navigation system.

Недостатком способа является его низкая радиопомехозащищенность, так как используется только радиолокационное изображение, и отсутствие возможности автономной работы.The disadvantage of this method is its low radio interference immunity, since only the radar image is used, and the lack of autonomous operation.

Наиболее близким по технической сущности аналогом предлагаемого способа является способ навигации летательного аппарата по радиолокационным изображениям земной поверхности с использованием цифровых моделей местности [Патент RU2364887C2, МПК G01S 13/90, 20.08.2009, Бюл. №23], выбранный за прототип.The closest in technical essence analogue of the proposed method is a method of navigating an aircraft on radar images of the earth's surface using digital terrain models [Patent RU2364887C2, IPC G01S 13/90, 20.08.2009, Bull. No. 23], selected for the prototype.

Реализация данного способа заключается в следующем. Эталонное радиолокационное изображение рассчитывают в процессе движения с помощью цифровых моделей местности, заранее подготовленных на основе векторных карт местности, а оценку навигационных ошибок инерциальной системы управления получают с помощью параметров максимума двумерной взаимокорреляционной функции эталонного и рабочего радиолокационного изображения через индексы положения максимума в матрице взаимокорреляционной функции.The implementation of this method is as follows. The reference radar image is calculated in the process of movement using digital terrain models prepared in advance on the basis of vector terrain maps, and the assessment of navigation errors of the inertial control system is obtained using the maximum parameters of the two-dimensional cross-correlation function of the reference and working radar image through the position indices of the maximum in the matrix of the cross-correlation function.

Однако такой способ обладает следующими недостатками: необходимость наличия предварительно подготовленных цифровых моделей и векторных карт местности, которые не всегда отражают действительную экспозицию объектов на момент пролета летательного аппарата, необходимость активного излучения зондирующего сигнала для получения радиолокационного изображения в процессе полета и низкая помехозащищенность приемных трактов локационной системы летательного аппарата от направленных помех, приводящая к искажению радиолокационного изображения и появлению ложных опорных точек (контуров) или их пропуску.However, this method has the following disadvantages: the need for pre-prepared digital models and vector maps of the area, which do not always reflect the actual exposure of objects at the time of the flight of the aircraft, the need for active emission of a probing signal to obtain a radar image during the flight and low noise immunity of the receiving paths of the location system aircraft from directional interference, leading to distortion of the radar image and the appearance of false reference points (contours) or their omission.

Предлагаемый способ имеет существенное отличие, заключающееся в использовании оптико-электронной системы инфракрасного диапазона длин волн, обеспечивающих получение инфракрасных изображений при ведении съемки с беспилотных летательных аппаратов, при этом оптико-электронные системы направлены строго вниз, перпендикулярно астрономическому горизонту относительно беспилотного летательного аппарата, т.е. в надир, с последующей пороговой обработкой этих изображений с эталонными инфракрасными изображениями.The proposed method has a significant difference, which consists in the use of an optoelectronic system in the infrared wavelength range, which provides infrared images when shooting from unmanned aerial vehicles, while the optoelectronic systems are directed strictly down, perpendicular to the astronomical horizon relative to the unmanned aerial vehicle, i.e. e. to nadir, followed by thresholding these images with reference infrared images.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение точности определения навигационных параметров беспилотного летательного аппарата в условиях некорректной работы приемника глобальных систем спутниковой навигации, путем проведения навигационных расчетов по инфракрасным изображениям получаемых оптико-электронной системой с беспилотного летательного аппарата, которые характеризуются большим пространственным разрешением по сравнению с радиолокационным изображением, и позволяющих осуществлять навигацию беспилотного летательного аппарата в любое время суток.The technical result of the proposed method is to increase the accuracy of determining the navigation parameters of an unmanned aerial vehicle in the conditions of incorrect operation of the receiver of global satellite navigation systems, by carrying out navigation calculations on infrared images obtained by an optoelectronic system from an unmanned aerial vehicle, which are characterized by a high spatial resolution compared to a radar image , and allowing navigation of an unmanned aerial vehicle at any time of the day.

Данный технический результат достигается тем, что для автономной навигации беспилотного летательного аппарата эталонные и рабочие изображения получают с помощью оптико-электронной системы в инфракрасном диапазоне. Эталонные изображения подготавливают на основе тепловой модели местности, путем решения прямой задачи радиационного теплопереноса с учетом плотности потока падающего солнечного излучения, температуры воздуха и высоты полета для заданных участков местности траектории полета и соответствующих периодов астрономического времени. Рабочие изображения регистрируют в процессе съемки в надир с помощью оптико-электронной системы в инфракрасном диапазоне. Полученные эталонные и рабочие инфракрасные изображения подвергают пороговой обработке, в результате которой формируют эталонные и рабочие матрицы опорных точек (контуров) объектов. Осуществляют расчет двумерной матрицы взаимокорреляционной функции, находят ее максимум, и оценивают географическое положение максимума взаимокорреляционной функции по эталонной матрице опорных точек (контуров). Используют данную оценку положения максимума взаимокорреляционной функции для автономной навигации беспилотного летательного аппарата, по данным измеренных значений курса, крена, тангажа и высоты беспилотного летательного аппарата.This technical result is achieved by the fact that for autonomous navigation of an unmanned aerial vehicle, reference and working images are obtained using an optoelectronic system in the infrared range. Reference images are prepared on the basis of a thermal terrain model by solving a direct problem of radiative heat transfer, taking into account the flux density of incident solar radiation, air temperature and flight altitude for given areas of the flight trajectory and corresponding periods of astronomical time. Working images are recorded in the process of shooting in nadir using an optoelectronic system in the infrared range. The obtained reference and working infrared images are subjected to threshold processing, as a result of which the reference and working matrices of reference points (contours) of objects are formed. A two-dimensional matrix of the cross-correlation function is calculated, its maximum is found, and the geographic position of the maximum of the cross-correlation function is estimated from the reference matrix of reference points (contours). This estimate of the position of the maximum of the cross-correlation function for autonomous navigation of the unmanned aerial vehicle is used, according to the measured values of the heading, roll, pitch and height of the unmanned aerial vehicle.

Сущность изобретения заключается в том, что для навигации беспилотного летательного аппарата по данным инфракрасных изображений, получаемых с помощью оптико-электронной системы, предварительно на основе цифровых моделей местности, включающей тепловую модель местности и матрицу высот, для заданных моментов времени, формируют эталонные изображения участков местности траектории полета беспилотного летательного аппарата.The essence of the invention lies in the fact that for the navigation of an unmanned aerial vehicle according to the data of infrared images obtained using an optoelectronic system, preliminary on the basis of digital terrain models, including a thermal terrain model and a matrix of heights, for given points in time, reference images of terrain are formed flight path of an unmanned aerial vehicle.

Эта процедура осуществляется путем решения прямой задачи радиационного теплопереноса на основе тепловой модели местности с учетом плотности потока падающего солнечного излучения, температуры воздуха и высоты полета. Тепловая модель местности представляет собой пространственное распределение теплофизических параметров: теплопроводности, теплоемкости, плотности и излучательной способности объектов и фонов. Тепловую модель получают путем дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров земной поверхности [Патент RU2707387C1, МПК G01J 5/00, 26.11.2019].This procedure is carried out by solving the direct problem of radiative heat transfer based on a thermal terrain model, taking into account the flux density of the incident solar radiation, air temperature and flight altitude. The thermal terrain model is a spatial distribution of thermophysical parameters: thermal conductivity, heat capacity, density and emissivity of objects and backgrounds. The thermal model is obtained by remotely determining the spatial distribution of the thermophysical parameters of the earth's surface [Patent RU2707387C1, IPC G01J 5/00, 11/26/2019].

Рассчитанные таким способом эталонные инфракрасные изображения подвергаются пороговой обработке для выделения опорных точек (контуров) и их информативных признаков - дескрипторов опорных точек (контуров), а именно площадь и форма, которые будут использоваться для автономной навигации беспилотного летательного аппарата.The reference infrared images calculated in this way are subjected to threshold processing to select reference points (contours) and their informative features - descriptors of reference points (contours), namely the area and shape that will be used for autonomous navigation of an unmanned aerial vehicle.

Необходимость расчета множества разновременных эталонных инфракрасных изображений обуславливается следующим. Инфракрасное изображение участка местности в течении суток с непостоянными внешними метеорологическими условиями меняют свой контраст. Такое явление называется инверсией тепловых контрастов, которое наступает в зависимости от погодных условий и связано с восходом и заходом солнца. В следствии этого, сопоставлению подвергаются только те эталонные матрицы опорных точек (контуров), которые соответствуют астрономическому времени рабочих матриц опорных точек (контуров).The need to calculate a set of multi-temporal reference infrared images is determined by the following. An infrared image of a site during the day with variable external meteorological conditions changes its contrast. This phenomenon is called the inversion of thermal contrasts, which occurs depending on weather conditions and is associated with sunrise and sunset. As a result, only those reference matrices of reference points (contours) that correspond to the astronomical time of working matrices of reference points (contours) are subject to comparison.

На фиг.1 представлены разновременные инфракрасные изображения одного и того же участка местности, полученные в течении суток. Анализ данных изображений показывает, что выделенные объекты относительно фона меняют свой контраст. Так яркость объекта А (бетонная плита) в 14:00 меньше фона, а в 20:00, тех же суток, ярче фона, в свою очередь для объекта Б (макет автомобильной техники) изменение яркости по отношению к фону наоборот уменьшается. Следовательно эталонные инфракрасные изображения могут быть использованы для их сопоставления с рабочими инфракрасными изображениями только для заданных временных интервалов астрономического времени, и, как правило, одно эталонное инфракрасное изображение применяется в интервале времени не превышающем двух часов.Figure 1 presents multi-temporal infrared images of the same area, obtained during the day. An analysis of the image data shows that the selected objects change their contrast relative to the background. So the brightness of object A (concrete slab) at 14:00 is less than the background, and at 20:00 of the same day, it is brighter than the background, in turn, for object B (model of automotive equipment), the change in brightness in relation to the background, on the contrary, decreases. Therefore, reference infrared images can be used to compare them with working infrared images only for specified time intervals of astronomical time, and, as a rule, one reference infrared image is used in a time interval not exceeding two hours.

На фиг.2 представлен вариант схемы устройства, реализующего предлагаемый способ навигации летательных аппаратов, где:Figure 2 shows a variant of the scheme of the device that implements the proposed method of navigation of aircraft, where:

1 - беспилотный летательный аппарат;1 - unmanned aerial vehicle;

1.1 - бортовой вычислитель с акселерометром и гироскопом;1.1 - on-board computer with an accelerometer and a gyroscope;

1.2 - гиростабилизированная платформа с оптико-электронной системой инфракрасного диапазона длин волн;1.2 - gyro-stabilized platform with an optoelectronic system in the infrared wavelength range;

1.3 - барометрический высотомер;1.3 - barometric altimeter;

1.4 - приемник глобальных систем спутниковой навигации;1.4 - receiver of global satellite navigation systems;

1.5 - приемо-передающее устройство беспилотного летательного аппарата;1.5 - transmitting and receiving device of an unmanned aerial vehicle;

1.6 - блок регистрации количества суммарной солнечной радиации и измерения температуры приземного слоя воздуха;1.6 - unit for registering the amount of total solar radiation and measuring the temperature of the surface air layer;

2 - наземный пункт управления;2 - ground control point;

2.1 - приемо-передающее устройство наземной станции управления;2.1 - transceiver device of the ground control station;

2.2 - база данных эталонных изображений.2.2 - database of reference images.

Блок 1.1 предназначен для решения задачи автономной навигации беспилотного летательного аппарата с учетом вектора скорости по данным текущих углов отклонения по курсу, крену и тангажу беспилотного летательного аппарата, измеряемых с помощью акселерометров и гироскопа.Block 1.1 is designed to solve the problem of autonomous navigation of an unmanned aerial vehicle, taking into account the velocity vector according to the current angles of deviation along the course, roll and pitch of the unmanned aerial vehicle, measured using accelerometers and a gyroscope.

Блок 1.2 предназначен для получения изображений исследуемой поверхности в инфракрасном диапазоне. Съемка в инфракрасном диапазоне осуществляется в надир.Block 1.2 is designed to obtain images of the surface under study in the infrared range. Shooting in the infrared range is carried out in nadir.

Блок 1.3 барометрический высотомер предназначен для точного измерения высоты полета беспилотного летательного аппарата и последующей совместной обработки получаемых от оптико-электронной системы инфракрасных изображений с эталонными инфракрасными изображениями в одном масштабе.Block 1.3 barometric altimeter is designed to accurately measure the flight altitude of an unmanned aerial vehicle and subsequent joint processing of infrared images received from the optoelectronic system with reference infrared images on the same scale.

Блок 1.4 обеспечивает навигацию беспилотного летательного аппарата по сигналу глобальных систем спутниковой навигации. В условиях некорректной работы приемника глобальных систем спутниковой навигации или его отказе, формируется управляющий сигнал в блок 1.1 о переходе в режим автономной навигации по инфракрасным изображениям получаемых оптико-электронной системой с беспилотного летательного аппарата.Block 1.4 provides navigation of an unmanned aerial vehicle according to the signal of global satellite navigation systems. Under conditions of incorrect operation of the receiver of global satellite navigation systems or its failure, a control signal is generated in block 1.1 about the transition to the autonomous navigation mode using infrared images received by the optoelectronic system from an unmanned aerial vehicle.

Блок 1.5 приемо-передающее устройство беспилотного летательного аппарата, обеспечивает формирование канала управления с наземным пунктом управления (блок 2).Block 1.5, the transceiver of an unmanned aerial vehicle, provides the formation of a control channel with a ground control station (block 2).

Блок 1.6 регистрации количества суммарной солнечной радиации и измерения температуры приземного слоя воздуха, обеспечивает повышение точности расчета эталонных инфракрасных изображений на основе тепловой модели местности с учетом плотности потока падающего солнечного излучения и температуры воздуха [Патент RU2707387C1, МПК G01J 5/00, 26.11.2019].Block 1.6 for registering the amount of total solar radiation and measuring the temperature of the surface air layer, provides an increase in the accuracy of calculating reference infrared images based on a thermal terrain model, taking into account the flux density of incident solar radiation and air temperature [Patent RU2707387C1, IPC G01J 5/00, 11/26/2019] .

Блок 2 обеспечивает передачу данных (эталонных инфракрасных изображений, данных телеметрии) между беспилотным летательным аппаратом (блок 1) и наземным пунктом управления (блок 2).Block 2 provides data transmission (reference infrared images, telemetry data) between the unmanned aerial vehicle (block 1) and the ground control station (block 2).

Блок 2.1 предназначен для приема данных телеметрии беспилотного летательного аппарата и передачи на борт летательного аппарата эталонных инфракрасных изображений, находящихся в базе данных блока 2.2.Block 2.1 is designed to receive telemetry data from an unmanned aerial vehicle and transfer reference infrared images from the database of block 2.2 to the aircraft.

На фиг.3 представлен алгоритм определения опорных точек (контуров) и их дескрипторов с географическими координатами, сопоставлением рабочей и эталонной матрицы опорных точек (контуров) на основе вычисления взаимокорреляционной функции, где:Figure 3 shows the algorithm for determining reference points (contours) and their descriptors with geographic coordinates, comparing the working and reference matrix of reference points (contours) based on the calculation of the cross-correlation function, where:

3 - Пороговая обработка эталонных инфракрасных изображений, которая осуществляется с помощью алгоритма заключающегося в последовательном выполнении следующих этапов:3 - Threshold processing of reference infrared images, which is carried out using an algorithm consisting in the sequential execution of the following steps:

3.1 - Формирование тепловой модели местности;3.1 - Formation of thermal terrain model;

3.2 - Решение прямой задачи радиационного теплопереноса на основе тепловой модели местности с учетом плотности потока падающего солнечного излучения и температуры воздуха для заданных участков местности траектории полета и моментов времени с получением эталонных инфракрасных изображений;3.2 - Solving the direct problem of radiative heat transfer based on a thermal terrain model, taking into account the flux density of incident solar radiation and air temperature for given terrain sections of the flight trajectory and time points, obtaining reference infrared images;

3.3 - Медианная фильтрация изображений;3.3 - Median filtering of images;

3.4 - Адаптивная бинаризация изображений;3.4 - Adaptive image binarization;

3.5 - Фильтрация изображений с замыканием границ и формированием множества опорных точек (контуров) и расчетом их дескрипторов;3.5 - Filtering images with border closure and formation of a set of reference points (contours) and calculation of their descriptors;

3.6 - Определение центра тяжести для каждой опорной точки (контура);3.6 - Determination of the center of gravity for each reference point (contour);

3.7 - Расчет географических координат центров тяжести для каждой опорной точки (контура);3.7 - Calculation of the geographical coordinates of the centers of gravity for each reference point (contour);

3.8 - Формирование базы данных эталонных инфракрасных изображений и их эталонных матриц опорных точек (контуров).3.8 - Formation of a database of reference infrared images and their reference matrices of reference points (contours).

4 - пороговая обработка рабочих инфракрасных изображений, которая осуществляется с помощью алгоритма заключающегося в последовательном выполнении следующих этапов:4 - threshold processing of working infrared images, which is carried out using an algorithm consisting in the sequential execution of the following steps:

4.1 - Получение инфракрасных изображений от оптико-электронных систем подстилающей поверхности участка местности в надир во время полета беспилотного летательного аппарата;4.1 - Obtaining infrared images from optoelectronic systems of the underlying surface of the terrain in nadir during the flight of an unmanned aerial vehicle;

4.2 - Медианная фильтрация изображений;4.2 - Median filtering of images;

4.3 - Адаптивная бинаризация изображений;4.3 - Adaptive image binarization;

4.4 - Фильтрация изображений с замыканием границ и формированием множества опорных точек (контуров)и расчетом их дескрипторов;4.4 - Filtering images with border closure and formation of a set of reference points (contours) and calculation of their descriptors;

4.5 - Определение центра тяжести для каждой опорной точки (контура);4.5 - Determination of the center of gravity for each reference point (contour);

4.6 - Определение опорных точек (контуров) по центру тяжести объектов;4.6 - Determination of reference points (contours) by the center of gravity of objects;

4.7 - Определение дескрипторов опорных точек (контуров);4.7 - Definition of descriptors of reference points (contours);

4.8 - Получение рабочей матрицы опорных точек (контуров).4.8 - Obtaining a working matrix of reference points (contours).

5 - Сопоставление рабочей и эталонной матрицы опорных точек (контуров) на основе вычисления максимума взаимокорреляционной функции;5 - Comparison of the working and reference matrix of reference points (contours) based on the calculation of the maximum of the cross-correlation function;

6 - Присвоение рабочему инфракрасному изображению известных координат опорных точек (контуров) эталонных инфракрасных снимков;6 - Assignment to the working infrared image of known coordinates of control points (contours) of reference infrared images;

7 - Запись совмещенной рабочей матрицы опорных точек (контуров);7 - Recording of the combined working matrix of reference points (contours);

8 - Определение географического положения беспилотного летательного аппарата;8 - Determination of the geographical position of the unmanned aerial vehicle;

9 - Выдача информации для корректировки маршрута движения беспилотного летательного аппарата.9 - Issuance of information for adjusting the route of the unmanned aerial vehicle.

Результатом пороговой обработки эталонных инфракрасных изображений являются эталонные матрицы опорных точек (контуров) с их дескрипторами и данными географических координат центра тяжести для каждого элемента множества опорных точек (контуров).The result of threshold processing of reference infrared images are reference matrices of control points (contours) with their descriptors and geographic coordinates of the center of gravity for each element of the set of control points (contours).

Непосредственно, в процессе полета беспилотного летательного аппарата на измеренной, с помощью барометрического высотомера (блока 1.3, фиг 2), высоте, задачу навигации на заданных участках местности и траектории полета по данным эталонных инфракрасных изображений или эталонных матриц опорных точек (контуров) решают путем получения от оптико-электронной системы рабочих изображений местности снятых в надир с последующей их пороговой обработкой согласно алгоритма (блоков 4.1-4.7, фиг 3). В результате обработки данным алгоритмом рабочих инфракрасных изображений в режиме близком к реальному времени с заданной периодичностью получают рабочие матрицы опорных точек (контуров) (блок 4.8, фиг 3). Используя эталонные и рабочие матрицы опорных точек (контуров) одного и того же участка местности с помощью бортового вычислителя блока 1.1 (фиг.2) по алгоритму блока 5 (фиг.3), осуществляют расчет двумерной матрицы взаимокорреляционной функции, находят максимум взаимокорреляционной функции, оценивают географическое положение максимума взаимокорреляционной функции по эталонной матрице опорных точек (контуров) и используют данную оценку положения максимума взаимокорреляционной функции для автономной навигации беспилотного летательного аппарата, по данным измеренных значений курса, крена, тангажа и высоты летательного аппарата.Directly, during the flight of an unmanned aerial vehicle at a measured altitude using a barometric altimeter (block 1.3, Fig. 2), the task of navigation in given areas of the terrain and flight path according to reference infrared images or reference matrices of reference points (contours) is solved by obtaining from the optical-electronic system of working images of the area taken in nadir with their subsequent threshold processing according to the algorithm (blocks 4.1-4.7, Fig 3). As a result of processing by this algorithm of working infrared images in near real time with a given frequency, working matrices of reference points (contours) are obtained (block 4.8, Fig 3). Using the reference and working matrices of reference points (contours) of the same terrain using the on-board computer unit 1.1 (figure 2) according to the algorithm of block 5 (figure 3), a two-dimensional matrix of the cross-correlation function is calculated, the maximum of the cross-correlation function is found, the the geographical position of the maximum of the cross-correlation function according to the reference matrix of reference points (contours) and use this estimate of the position of the maximum of the cross-correlation function for autonomous navigation of the unmanned aerial vehicle, according to the measured values of the heading, roll, pitch and height of the aircraft.

Таким образом траектория может быть выбрана или скорректирована непосредственно в процессе движения беспилотного летательного аппарата. В блоке 8 (фиг.3) происходит определение географического положения беспилотного летательного аппарата. Блок 9 (фиг.3) выдает информацию для корректировки маршрута движения беспилотного летательного аппарата.Thus, the trajectory can be selected or corrected directly during the movement of the unmanned aerial vehicle. In block 8 (figure 3) is the definition of the geographical position of the unmanned aerial vehicle. Block 9 (figure 3) provides information to correct the route of the unmanned aerial vehicle.

Реализация процедур предварительной и непосредственной обработки инфракрасных изображений может быть осуществлена следующими вариантами:The implementation of procedures for preliminary and direct processing of infrared images can be carried out in the following ways:

Первый вариант. Пороговую обработку эталонных инфракрасных изображений осуществляют до начала полета беспилотного летательного аппарата, и на борт беспилотного летательного аппарата загружают уже рассчитанные эталонные матрицы опорных точек (контуров). Автономная навигация реализуется в соответствии с алгоритмом фиг.3.First option. Threshold processing of the reference infrared images is carried out before the start of the flight of the unmanned aerial vehicle, and the already calculated reference matrices of reference points (contours) are loaded on board the unmanned aerial vehicle. Autonomous navigation is implemented in accordance with the algorithm of Fig.3.

Второй вариант. На борт беспилотного летательного аппарата, во время его полета, с помощью блоков 1.5 и 2.1 (фиг.2), загружаются эталонные инфракрасные изображения, которые, бортовым вычислителем блока 1.1 (фиг.2), подвергаются пороговой обработке по алгоритму фиг.3 для получения эталонных матриц опорных точек (контуров). Автономная навигация реализуется в соответствии с алгоритмом фиг.3.Second option. On board the unmanned aerial vehicle, during its flight, using blocks 1.5 and 2.1 (figure 2), reference infrared images are loaded, which, by the onboard computer of block 1.1 (figure 2), are subjected to threshold processing according to the algorithm of figure 3 to obtain reference matrices of reference points (contours). Autonomous navigation is implemented in accordance with the algorithm of Fig.3.

Третий вариант. При осуществлении навигации беспилотного летательного аппарата по данным глобальных систем спутниковой навигации (блок 1.4, фиг.2) с заданной периодичностью, с помощью оптико-электронной системы фиксируют инфракрасные изображения подстилающей поверхности в надир и передают эту информацию в бортовой вычислитель (блок 1.1, фиг.2) для пороговой обработки этих инфракрасных изображений с известными географическими координатами, затем по алгоритму блоков 6 и 7 (фиг.3), рассчитывают эталонные матрицы опорных точек (контуров) с последующим их сохранением в памяти блока 1.1 (фиг.2) При отказе приемника глобальных систем спутниковой навигации (блок 1.4, фиг.2) или попадании беспилотного летательного аппарата в сложную радионавигационную обстановку, не позволяющей корректно определять свое местоположение по данным глобальных систем спутниковой навигации, автономная навигация беспилотного летательного аппарата осуществляется по сохраненным в блоке 1.1 (фиг.2) эталонным матрицам опорных точек (контуров).Third option. When navigating an unmanned aerial vehicle according to the data of global satellite navigation systems (block 1.4, Fig. 2) at a given frequency, infrared images of the underlying surface are recorded in nadir using an optical-electronic system and this information is transmitted to the onboard computer (block 1.1, Fig. 2) for threshold processing of these infrared images with known geographical coordinates, then, according to the algorithm of blocks 6 and 7 (figure 3), reference matrices of reference points (contours) are calculated with their subsequent storage in the memory of block 1.1 (figure 2) If the receiver fails global satellite navigation systems (block 1.4, figure 2) or if an unmanned aerial vehicle enters a difficult radio navigation environment that does not allow to correctly determine its location according to the data of global satellite navigation systems, autonomous navigation of an unmanned aerial vehicle is carried out according to those stored in block 1.1 (figure 2 ) reference matrices of reference points (cont levels).

Перед получением рабочей матрицы опорных точек (контуров) участка местности траектории полета выполняется процедура оценки вектора собственной скорости беспилотного летательного аппарата и его высоты полета над местностью в окрестности опорных точек (контуров) (блок 1.3, фиг.2). Это делается с целью сокращения объема расчетов при цифровой обработке рабочей матрицы опорных точек (контуров). По окончании оценки вектора собственной скорости беспилотного летательного аппарата и его высоты над местностью в окрестности опорных точек (контуров) рабочее инфракрасное изображение подвергается пороговой обработке (блок 4, фиг.3) с получением опорных точек (контуров) и их географических координат (блок 5, фиг.3). Координаты совпадающих опорных точек (контуров) обеих матриц опорных точек (контуров) в географической системе координат несут информацию о взаимном положении этих инфракрасных изображений в горизонтальной плоскости. В момент взаимного совмещения рабочей и эталонной матриц опорных точек (контуров) одного периода астрономического времени (блоки 5 и 6, фиг.3), текущая рабочая матрица опорных точек (контуров) записывается в базу данных эталонных матриц опорных точек (контуров) в блок 1.1 (фиг.2) и становится эталонной, после чего выполняется последовательность действий пороговой фильтрации для рабочих инфракрасных изображений с вычислением взаимокорреляционной функции согласно алгоритму фиг.3.Before obtaining a working matrix of reference points (contours) of the area of the flight path, the procedure for estimating the own speed vector of the unmanned aerial vehicle and its flight altitude above the terrain in the vicinity of the reference points (contours) (block 1.3, figure 2) is performed. This is done in order to reduce the volume of calculations in the digital processing of the working matrix of reference points (contours). Upon completion of the evaluation of the own speed vector of the unmanned aerial vehicle and its height above the terrain in the vicinity of the reference points (contours), the working infrared image is subjected to threshold processing (block 4, figure 3) to obtain reference points (contours) and their geographical coordinates (block 5, figure 3). The coordinates of matching reference points (contours) of both matrixes of reference points (contours) in the geographic coordinate system carry information about the relative position of these infrared images in the horizontal plane. At the moment of mutual alignment of the working and reference matrices of reference points (contours) of one period of astronomical time (blocks 5 and 6, figure 3), the current working matrix of reference points (contours) is recorded in the database of reference matrices of reference points (contours) in block 1.1 (figure 2) and becomes a reference, after which a sequence of threshold filtering for working infrared images is performed with the calculation of the cross-correlation function according to the algorithm of figure 3.

Предлагаемый способ может быть реализован устройством состоящим из узлов и агрегатов серийного выпуска промышленности.The proposed method can be implemented by a device consisting of units and assemblies of serial production of the industry.

Claims (1)

Способ навигации беспилотных летательных аппаратов, заключающийся в получении эталонных и рабочих изображений земной поверхности, подвергнутых пороговой обработке с получением множества опорных точек - контуров и оценкой данных максимума двумерной взаимокорреляционной функции, отличающийся тем, что эталонные и рабочие изображения получают с помощью оптико-электронных систем в инфракрасном диапазоне, эталонные изображения подготавливают на основе тепловой модели местности путем решения прямой задачи радиационного теплопереноса с учетом плотности потока падающего солнечного излучения, температуры воздуха и высоты полета для заданных участков местности траектории полета и соответствующих периодов астрономического времени, рабочие изображения получают в процессе съемки в инфракрасном диапазоне в надир, производят пороговую обработку эталонных и рабочих инфракрасных изображений, получают эталонные и рабочие матрицы опорных точек - контуров объектов, осуществляют расчет двумерной матрицы взаимокорреляционной функции, находят максимум взаимокорреляционной функции, оценивают географическое положение максимума взаимокорреляционной функции по эталонной матрице опорных точек - контуров и используют данную оценку положения максимума взаимокорреляционной функции для автономной навигации беспилотных летательных аппаратов по данным измеренных значений курса, крена, тангажа и высоты беспилотного летательного аппарата.A method for navigating unmanned aerial vehicles, which consists in obtaining reference and working images of the earth's surface subjected to threshold processing with obtaining a plurality of reference points - contours and estimating the data of the maximum of a two-dimensional cross-correlation function, characterized in that reference and working images are obtained using optoelectronic systems in infrared range, reference images are prepared on the basis of a thermal terrain model by solving a direct problem of radiative heat transfer, taking into account the flux density of incident solar radiation, air temperature and flight altitude for given areas of the flight path and the corresponding periods of astronomical time, working images are obtained in the process of shooting in infrared nadir range, perform threshold processing of reference and working infrared images, obtain reference and working matrices of reference points - contours of objects, calculate a two-dimensional matrix in relation to of the intercorrelation function, find the maximum of the intercorrelation function, estimate the geographic position of the maximum of the intercorrelation function from the reference matrix of reference points - contours, and use this estimate of the position of the maximum of the intercorrelation function for autonomous navigation of unmanned aerial vehicles according to the measured values of the heading, roll, pitch and height of the unmanned aerial vehicle.
RU2021105334A 2021-03-01 2021-03-01 Uav navigation method RU2767477C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021105334A RU2767477C1 (en) 2021-03-01 2021-03-01 Uav navigation method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021105334A RU2767477C1 (en) 2021-03-01 2021-03-01 Uav navigation method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2767477C1 true RU2767477C1 (en) 2022-03-17

Family

ID=80737020

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021105334A RU2767477C1 (en) 2021-03-01 2021-03-01 Uav navigation method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2767477C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2816087C1 (en) * 2023-08-03 2024-03-26 Александр Витальевич Парий Autonomous optical local positioning and navigation system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2364887C2 (en) * 2007-09-25 2009-08-20 ОАО "Уральское проектно-конструкторское бюро " Деталь" Method for navigation of aircraft by radar images of earth surface with application of digital area models
RU2515469C1 (en) * 2012-11-22 2014-05-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method of aircraft navigation
RU2571845C1 (en) * 2014-08-07 2015-12-20 Акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" Control over drone flight path at flyby over terrain relief in vertical plane
US20170291301A1 (en) * 2014-10-02 2017-10-12 Brain Corporation Feature detection apparatus and methods for training of robotic navigation
RU2659461C2 (en) * 2016-05-04 2018-07-02 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method of remote determination of spatial distribution of thermal physical parameters of earth surface

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2364887C2 (en) * 2007-09-25 2009-08-20 ОАО "Уральское проектно-конструкторское бюро " Деталь" Method for navigation of aircraft by radar images of earth surface with application of digital area models
RU2515469C1 (en) * 2012-11-22 2014-05-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method of aircraft navigation
RU2571845C1 (en) * 2014-08-07 2015-12-20 Акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" Control over drone flight path at flyby over terrain relief in vertical plane
US20170291301A1 (en) * 2014-10-02 2017-10-12 Brain Corporation Feature detection apparatus and methods for training of robotic navigation
RU2659461C2 (en) * 2016-05-04 2018-07-02 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method of remote determination of spatial distribution of thermal physical parameters of earth surface

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2816087C1 (en) * 2023-08-03 2024-03-26 Александр Витальевич Парий Autonomous optical local positioning and navigation system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110859044B (en) Integrated sensor calibration in natural scenes
CN111436216B (en) Method and system for color point cloud generation
Nagai et al. UAV-borne 3-D mapping system by multisensor integration
CN110926474B (en) Satellite/vision/laser combined urban canyon environment UAV positioning and navigation method
AU2012328156B2 (en) Identification and analysis of aircraft landing sites
KR101839599B1 (en) Road facility surveying system using drone
RU2487419C1 (en) System for complex processing of information of radio navigation and self-contained navigation equipment for determining real values of aircraft navigation parameters
CN104268935A (en) Feature-based airborne laser point cloud and image data fusion system and method
CN112346104A (en) Unmanned aerial vehicle information fusion positioning method
CN113340272B (en) Ground target real-time positioning method based on micro-group of unmanned aerial vehicle
Rebelo et al. Building 3D city models: Testing and comparing Laser scanning and low-cost UAV data using FOSS technologies
RU2767477C1 (en) Uav navigation method
CN111089580B (en) Unmanned war chariot simultaneous positioning and map construction method based on covariance intersection
RU2406071C1 (en) Method of mobile object navigation
Ishii et al. Autonomous UAV flight using the Total Station Navigation System in Non-GNSS Environments
Grishin et al. Horizon line stability observations over the sea
Eboigbe et al. Assessment of the precision of a smart-phone pole photogrammetry for a second-order cliff surface deformation studies
CN116380023B (en) Land mapping system based on remote sensing technology
KR102557775B1 (en) Drone used 3d mapping method
CN113705734B (en) Remote sensing image characteristic point elevation obtaining method based on multiple sensors and geocentric
RU2787946C1 (en) Method for manufacturing a multilayer coil heat exchanger
US20230069829A1 (en) Method and device for determining altitude obstacles
Nagpal et al. Identification of Suitable Telemetry Point Coordinates in Drone Video using Centroid Method for Precise Georeferencing
Li et al. Using Unmanned Laser Scanning and Aerial Photogrammetry for Potential Large-Scale Landslide Area Monitoring
Kostić Application of polar, photogrammetric and LiDAR method in measurement of stone aggregate stockpile volume