Автореферат (Катадиоптрическая система ориентации беспилотного летательного аппарата)

На правах рукописиЛадонкин Александр ВалериевичКАТАДИОПТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОРИЕНТАЦИИ БЕСПИЛОТНОГОЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТАСпециальность 05.11.03 – «Приборы навигации»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукТула – 2013Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»Научный руководитель:доктор технических наук, профессорРаспопов Владимир ЯковлевичОфициальные оппоненты:Солдаткин Владимир Михайлович,доктор технических наук, профессор,ФГБОУВПО«Казанскийнациональныйтехнический исследовательский университетим. А.Н. Туполева»,заведующийкафедрой«Приборы и информационно-измерительныесистемы»Черноморский Александр Исаевич,кандидат технических наук, доцент,ФГБОУВПО«Московскийавиационныйинститут(национальныйисследовательский университет)» (МАИ),профессор кафедры «Автоматизированныекомплексы систем ориентации и навигации»Ведущая организация:ФГУП «Санкт-Петербургское ОКБ«Электроавтоматика» им.

П.А. Ефимова»,г. Санкт-ПетербургЗащита диссертации состоится «_____» ___________ 2013 года, в ______ часов назаседании диссертационного совета Д 212.125.11 в ФГБОУ ВПО «Московскийавиационный институт (национальный исследовательский университет)» (МАИ) поадресу: 125993, Москва, Волоколамское шоссе, дом 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ по адресу: 125993, Москва,Волоколамское шоссе, дом 4.Автореферат разослан «____» __________ 2013 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.125.11,кандидат технических наук, доцентГорбачев Ю.В.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы.

В настоящее время малоразмерные беспилотныелетательные аппараты (МБПЛА) приобретают все более широкое применение ввоенных и гражданских целях. При этом наиболее востребованной функциейявляется аэфрофото- и аэровидеосъемка.Традиционно на МБПЛА в качестве источника информации о параметрахполета (угловых и линейных координатах) используются системы ориентации инавигации на основе микромеханических датчиков (акселерометров и датчиковугловой скорости), что обусловлено массогабаритными требованиями к бортовойаппаратуре. Из-за невысоких (на сегодняшний день) точностных характеристикдатчиков, разработка таких систем сопряжена с определенными проблемами:присутствие накапливаемой во времени ошибки, влияние линейных перегрузок наточность и т.д.

Данные проблемы пытаются устранить с помощьюкомплексирования систем с дополнительными источниками информации.Для решения задачи ориентации применяются и другие методы. Примерамимогут служить системы на базе магнитометров, пирометров и других источниковпервичной информации.Разработкой подобных систем активно занимаются такие фирмы иорганизации как «Philips Semiconductors» (Голландия), «Honeywell», «SpaceElectronic», «Crossbow Technology Inc.», «Precision Navigation Inc.», «AdvancedOrientation Systems Inc. (AOSI)» (США), УП «Минский НИИ радиоматериалов»(Беларусь), НТЦ «Рисса», ООО «ТеКнол», ФГУП ГНПП «Электроприбор», ФГУПГНПП «СПЛАВ», ФГУП НКТБ «Феррит», ОАО «Научно-производственныйкомплекс «ЭЛАРА» имени Г.А.Ильенко», ГОУ ВПО «Казанский государственныйтехнический университет им.

А.Н. Туполева», Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет) (Россия) и др.Среди всех систем ориентации выделяются оптические (ОСО), которыеиспользуют оптическую информацию об окружающем пространстве. Такие системыможно разделить на две группы: функционирующие в инфракрасном и видимомдиапазонах длин волн.К первой группе относятся пирометрические системы, использующие в своемсоставе бесконтактные измерители температуры (пирометры).Системы второго типа используют, как правило, обычные матричныеприемники оптического излучения - видеокамеры. Принцип работы таких системоснован на вычислении углов тангажа и крена по положению линии горизонта вкадре изображения, или по расположению в кадре нескольких опорных точек сизвестными координатами.Оптические системы имеют, как правило, простую конструкцию (видеокамераи цифровой вычислитель) и обеспечивают дополнительный функционал в видеаэровидеосъемки.

К недостаткам таких систем относятся ограниченный диапазонрабочих углов тангажа и крена (из-за ограниченного угла обзора видеокамер),зависимость ошибки измерения от освещенности, погодных условий, рельефа и т.д.3В связи с этим актуальной является разработка ОСО, обладающейповышенными точностными характеристиками и способной функционировать вболее широком диапазоне различных эксплуатационных условий. Существеннымиявляются задачи расширения диапазона рабочих углов тангажа и крена, а такжеснижения влияния на точность измерения освещенности, погодных условий ирельефа.Цели и задачи исследования.Целью диссертационной работы является повышение точности и диапазонаэксплуатационных условий ОСО.Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:разработка способа увеличения угла обзора видеокамеры до значений,превышающих 180º;разработка алгоритма вычисления углов тангажа и крена повышеннойточности;разработка алгоритма быстрой кластеризации неба и земли наизображениях;оценка и учет влияния различных факторов на точность оптических системориентации;Объектом исследования является ОСО, состоящая из видеокамеры ицифрового вычислителя.

Вычисление углов тангажа и крена происходит на основеанализа взаиморасположения земли и неба в кадре изображения. Угол курсавычисляется на основе показаний магнитометрических датчиков.Предметом исследования являются математические модели, алгоритмыработы и структуры, а также новые способы построения ОСО на базе видеокамеры,позволяющие повысить еѐ точность, расширить углы обзора и улучшитьэксплуатационные характеристики.Методы исследований: в работе использовался комплексный методисследования, который характеризуется применением теории случайных процессов,теории геометрической оптики, теории цифровой обработки сигналов,математического моделирования с применением ЭВМ, физического моделированияв лабораторных и полевых условиях.Научная новизна:1) Разработан способ увеличения угла обзора видеокамеры до значений,превышающих 180º, отличающийся от известных применением дополнительнойзеркальной оптической системы, состоящей из плоского и сферического зеркал.

Приэтом обеспечиваются повышение качества изображения, увеличение диапазонарабочих углов тангажа и крена до значений [-90º…+90º] и [-180º…+180º]соответственно, возможность простой регулировки результирующего угла обзора.2) Разработан алгоритм вычисления углов тангажа и крена, оценивающийвзаимное расположение неба и земли в кадре изображения, а не только линиигоризонта, что позволяет уменьшить погрешность ОСО.3) Предложен алгоритм кластеризации неба и земли на изображении,основанный на применении пороговой фильтрации с динамически изменяющимся4пороговым значением.

Алгоритм не требует больших вычислительных затрат, чтоснижает результирующую задержку ОСО.4) Разработана математическая модель ОСО на базе видеокамеры сувеличенным углом обзора, отличающаяся от существующих систем более точнымопределением параметров ориентации летательного аппарата,а такжевозможностью функционирования в более широком диапазоне эксплуатационныхусловий.Практическая ценность работы:1)Построена математическая модель ОСО на базе видеокамеры сдополнительной зеркальной оптической системой.2)Разработано алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющеепроводить имитационное моделирование ОСО.3)Исследовано влияние различных факторов (высота полета, рельеф,наличие высотных объектов, освещенность, погодные условия, шум приемникаоптического излучения) на погрешность ОСО. Приведены методы для устранениявлияния высоты полета.4)Проведены лабораторные и полевые испытания разработанных опытныхобразцов катадиоптрической системы ориентации.Реализация и внедрение результатов работы.

Основные результатыдиссертационной работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Тульскийгосударственный университет» в качестве лабораторных работ по курсу«Микросистемная авионика», что отражено в акте внедрения результатовдиссертационной работы. Результаты исследования реализованы в программныхпродуктах «Катадиоптрическая система ориентации (КСО)» и «Программныйкомплекс автоматического сопровождения цели (ПК-АСЦ)» на которые полученысвидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ. Результатыисследования использованы при выполнении гранта РФФИ № 09-08-00891«Концепция построения и проектирования авионики малоразмерных беспилотныхлетательных аппаратов».Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы,докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: XIКонференции молодых ученых «Навигация и управление движением», март 2009 г.,г.