Отзыв ведущей организации (Автономная система управления полетом квадрокоптера с возможностью облета препятствий и комплексной навигацией)

ФИЛИАЛ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРС'ГВЕННОГО УНИТАРНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ кЦЕНТР ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБЪЕКТОВ НАЗЕМНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫв «НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКИ ИМЕНИ АКАДЕМИКА В,И, КУЗНЕЦОВА» 111024, Москва, ул. Пруд Ключики, 12А. тел. 673-38-76, факс (495)221-86-03 Е-ва11: вйргв21,'говв1ап.красе УТВЕРжДА10 «НИИ ',-'и9фйи а ''д~~й~ка В, И. Кузнецова» .Г. Денискин « "» е" 2017г. ОТЗЫВ ведущей организации на диссертацию Гэн Кэ Кэ «Автономная система управления полетом квадрокоптера с возможностью облета препятствий и комплексной навигацией», представленную на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.01 — Системный анализ, управление и обработка информации 1в технических системах) 1.

Актуальность темы исследования Стремительное развитие технологий микроэлектроники и микромеханики и связанное с ним повышение эксгшуатационных характеристик базовых элементов и инерциальных датчиков при одновременном снижении их габаритных размеров и стоимости обусловило возможность создания и широкое распространение разнообразных беспилотных подвижных объектов: воздушных и водных судов, наземных машин„роботов. Они используются в гражданской и военной продукции, являясь, в том числе, средствами объективного контроля, доставки полезной нагрузки и т.п. Все более популярными становятся квадрокоптеры — летательные аппараты, построенные по вертолетной схеме с четырьмя винтами -- прежде всего из-за простоты их технической реализации. Одним из основных недостатков их применения является необходимость ручного управления режимами полета.

И связи с этим за рубежом и в нашей стране наблюдается повышенный интерес к разработке автономных систем управления полетом квадро коптеро в. Большинство из предложенных подходов пригодны для полетов только на открытом пространстве, хотя, как хорошо известно, нередки ситуации, когда невозможно получить дополнительную информацию о параметрах движения от спутниковой навигационной системы, что требует автономности решения задач ориентации, стабилизации и навигации бортовыми системами. Рассматриваемая диссертация Гэн Кэ Кэ посвящена решению сложной и актуальной задачи по разработке автоматической системы управления полетом квадрокоптера, позволяющей совершать автономный полет по спланированному маршруту с возможностью облета препятствий в сложной среде, в которой могут присутствовать неподвижные и подвижные препятствия, атмосферные влияния, и обеспечению точной навигации в процессе полета по вычисленным целевым точкам с использованием существующих измерительных систем и методов комплексной обработки навигационной информации.

На основании этого можно считать, что тема диссертационной работы является актуальной и имеет практическое значение. 2. Структура и содержание работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав„общих выводов по работе, библиографического списка и приложений. Во введении автором обоснована актуальность темы диссертации, проведен анализ методов планирования маршрута и комплексной навигации, указаны достоинства и недостатки их применения, определена цель и сформулированы задачи, указаны методы проведения исследований, представлены основные научные результаты и их практическая значимость, сформулированы положения, выносимые на защиту, описана структура, объем диссертации и ее апробация.

Первая глава посвящена анализу методов и ключевых технологий для автономного полета квадрокоптера, в результате проведения которого выявлено, что известные алгоритмы планирования маршрута и облета препятствий трудно использовать в трехмерной динамической среде в режиме реального времени, а стратегия выбора опорных точек маршрута является ключевой для точного отслеживания спланированного маршрута.

Автором разработаны алгоритмы траекторного и углового управления полетом квадрокоптера с использованием ПИД- и бэкстеппинг-регуляторов, построена подробная математическая модель такого летательного аппарата с учетом влияния ветра, экранного эффекта поверхности земли и гироскопических моментов винтомоторных групп, а также установлена возможность использования комплексной навигационной системы на базе совместной обработки сигналов инерциальных датчиков с источниками внешней коррекции (СНС, ВНС, радиовысотомер и т.д.) с использованием расширенного фильтра Калмана.

Во второй главе автором решалась задача создания системы управления полетом квадрокоптера с возможностью облета препятствий в сложной среде, при выполнении которой: — составлена общая структура автономной системы полета, состоящая из двух основных частей — непосредственно из системы автоматического управления полетом с возможностью облета препятствий в сложной среде и из комплексной навигационной системы; — предложен алгоритм планирования глобального маршрута на основе нового способа представления информации о среде в виде облачно-точечной карты и улучшенного муравьиного алгоритма, обладающего высокой скоростью вычислений и возможностью применения для планирования глобального пространственного маршрута в режиме реального времени; — разработан алгоритм повышения стабильности полета квадрокоптера в среде с атмосферным влиянием на основе многорежимной системы стабилизации, содержащей набор бэкстеппинг-регуляторов углового положения, автоматически выбираемых в соответствии с условиями полета (высота„углы тангажа и крена, ветровые воздействия, режимы взлета-посадки), а также подсистема аварийного возврата к исходной точке.

В третьей главе представлены результаты разработки комплексной навигационной системы совместно с визуальной локацией с возможностью обнаружения и изоляции неисправностей. Представлена структура и математическая модель такой комплексной навигационной системы, предложен алгоритм калмановской фильтрации с использованием тестов по остаточной ошибке и по состоянию для обнаружения недостоверной навигационной информации, а также алгоритм комплексирования нескольких источников навигационной информации при назначении весов выходов датчиков на основе ошибок дисперсий, обладающий возможностью изоляции недостоверной информации с помощью матрицы обнаружения неисправности. Адекватность разработанных алгоритмов была подтверждена при моделировании полета квадрокоптера в трехмерной среде с большой неровностью земной поверхности и временной потерей сигналов спутниковой навигационной системы, В четвертой главе автором экспериментально подтверждена возможность реализации предлагаемой автономной системы управления.

Для этого было выполнено: — макетирование визуальной навигационной системы на основе компьютерного зрения и предложенной модификации алгоритма ЕКГ-ЯЕАМ с локальной ассоциацией данных, позволяющей обеспечить достаточную точность навигационной информации в случае отсутствия сигнала со спутников, и комплексной навигационной системы в наружной заранее неизвестной среде; — разработка интерфейса пользователя, который может быть применен для наблюдения за полетом летательного аппарата и работой датчиков на наземной станции в режиме реального времени; — комплексное моделирование в трехмерной сложной среде, результаты которого подтверждают возможность планирования глобального маршрута, отслеживания спланированного маршрута и облета различных препятствий в сложной трехмерной среде в режиме реального времени с помощью предлагаемой автономной системы управления полетом, Общий объем работы составляет 158 листов машинописного текста, содержит 95 рисунков и 10 таблиц.

3. Оценка новизны и достоверности научных результатов В представленных в данной работе теоретических и экспериментальных исследованиях получены следующе оригинальные результаты: — предложен алгоритм планирования пространственного глобального маршрута с возможностью эффективного использования текущей известной информации о среде и быстрого получения глобального маршрута с меньшим количеством путевых точек; — создан алгоритм облета неподвижных и подвижных препятствий в сложной динамической среде на основе управления поворотом вектора скорости полета„ вЂ” разработана комплексная навигационная система для квадрокоптера с возможностью обнаружения и изоляции неисправности при резервировании навигационной информации от нескольких источников; — разработана многорежимная система стабилизации квадрокоптера на основе бэкстеппинг — регуляторов с разными управляющими коэффициентами, автоматически выбираемыми в соответствии с условиями полета, и подсистема аварийного возврата к исходной точке, обеспечивающая устойчивость полета при ветре и вблизи земной поверхности.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием известных закономерностей и апробированных методик, соответствием методов исследования поставленным целям и задачам, применением современных методов обработки данных, хорошего соответствия результатов численного моделирования и результатов экспериментов. Основные результаты диссертации опубликованы в 1б печатных работах, в том числе в 6 изданиях из перечня ВАК РФ. Работа прошла апробацию на научном семинаре кафедры «Систем автоматического управления» МГТУ им.

Н.Э. Баумана, а также на всероссийских и международных симпозиумах и конференциях. 4. Практическая значимость работы Практическая значимость диссертационной работы заключается в том. что разработанные алгоритмы носят универсальный характер, эффективны, пригодны для бортовой реализации и могут применяться для решения задач планирования маршрута, отслеживания траектории, облета препятствий в режиме реального времени в сложной среде не только квадрокоптеров, но и других летательных аппаратов и различных наземных подвижных объектов, Предложенная комплексная навигационная система с несколькими режимами работы, используя показания дополнительных датчиков, позволяет повысить точность навигации и расширить область применения летательного аппарата. Кроме того, разработанный интерфейс пользователя комплексной навигационной системы может быть использован на наземной станции для наблюдения за полетом летательного аппарата и работой датчиков в режиме реального времени.