Автореферат (Расширение условий функционирования систем визуальной навигации автономных беспилотных летательных аппаратов)

Рбота выполнена на кафедре «Информационно-управляющие комплексы летательныхаппаратов» Московского авиационного института (национального исследовательскогоуниверситета)Научный руководитель:кандидат техническихВладимирович;наук,профессорКимНиколайОфициальные оппоненты: Андреев Виктор Павлович, доктор технических наук, профессор,старший научный сотрудник ФГБОУ ВО Московскогогосударственного технологического университета «СТАНКИН»Овчинников Александр Викторович, кандидат технических наук,доцент кафедры радиоэлектроники ФГБОУ ВО "Тульскийгосударственный университет";Ведущая организация:Федеральноегосударственноеунитарноепредприятие«Государственныйнаучно-исследовательскийинститутавиационных систем», г.МоскваЗащита состоится «24» декабря 2015 г.

в 13 ч. 00 мин. на заседании диссертационного советаД 212.125.12 Московского авиационного института (государственного техническогоуниверситета) - МАИ по адресу: 125993, Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института(национального исследовательского университета МАИ) по адресу: 125993, г. Москва, А-80,ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4.Автореферат разослан ______________Отзывы просим отправлять в 2-х экземплярах, заверенных печатью, по адресу: 125993,Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4, Ученый совет МАИУченый секретарь диссертационного советакандидат технических наук, доцент_____________В.В.

Дарнопых2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. В последние годы широкое распространение получают автономныебеспилотные летательные аппараты (БЛА), способные функционировать длительное время внеопределенной и изменяемой обстановке в соответствии с поставленной целевой задачей(ЦЗ).Эффективность выполнения ЦЗ в определяющей степени зависит от работы навигационнойсистемы (НС). Большинство существующих НС обеспечивают достаточную точностьопределения положения и ориентации аппарата при устойчивой работе спутниковойнавигационной системы (СНС). Однако, при отсутствии сигналов СНС, ошибки НС могутоказаться недопустимыми (например, для современной российской НС «КомпаНав-3» через 5минут работы без СНС ошибка определения положения составит 500 м).Таким образом, одним из важных направлений модернизации бортового оборудованиямалоразмерных БЛА является разработка средств навигации, обеспечивающих полет вусловиях отсутствия сигналов СНС.Альтернативным вариантом полетов без СНС является использование обзорносравнительного метода навигации, одной из разновидностей которого является визуальнаянавигация.Системы визуальной навигации основаны на использовании бортовой системынаблюдения, способной автономно решать задачи наведения и навигации по наземнымориентирам.

При этом под визуальной навигацией понимается процесс сопоставлениятекущего изображения (ТИ), принимаемого бортовой системой наблюдения, и эталонныхизображений (ЭИ) ориентиров или сцен (заложенных в память БЛА) с целью идентификацииискомого ориентира и определения текущего положения БЛА. В более общем случае дляидентификации могут сопоставляться не только изображения, но и другие описанияориентиров, например характеристики текстуры наблюдаемой поверхности и пр.В реальных условиях при полете автономных БЛА могут возникнуть следующие факторы,затрудняющие работу системы визуальной навигации: Изменения условий наблюдения, искажающие параметры описаний наблюдаемыхориентиров. Необходимость полета над малоинформативными участками наблюдаемой местности,не позволяющими с требуемой точностью определять положение БЛА.Данные факторы в существенной степени влияют на условия применения БЛА иограничивают их автономность.

Темой диссертации является исследование и разработкаподходов, обеспечивающих функционирование систем визуальной навигации автономныхБЛА в условиях действия этих факторов.Целью работы является расширение условий функционирования автономных БЛА за счетиспользования алгоритмов визуальной навигации, обеспечивающих поиск ориентиров иоценку координат БЛА с помощью описаний, адаптивных к изменяемым условиямнаблюдения, и алгоритмов, способных функционировать на малоинформативных участкахместности.Объектом исследования является автономный БЛА.Предметом исследования является алгоритмическое обеспечение визуальной навигации,обеспечивающее определение местоположения БЛА в изменяемых или неопределенныхусловиях наблюдения.Методы исследования.

Исследования выполнены с использованием аппаратаматематического моделирования, технологий компьютерного зрения, методов теорииинформации, статистических методов распознавания и методов нечеткой логики.3Научная новизна работы заключается в следующем:1.Предложен подход к обнаружению ориентиров на основе использованияэталонных описаний, адаптивных к изменению условий наблюдения.2.Разработан алгоритм формирования и использования адаптивных описанийориентиров на основе нейронечетких систем.3.Предложен подход к решению задачи визуальной навигации БЛА надмалоинформативными участками местности, основанный на предварительном определениигипотез положения БЛА, планировании и реализации полета с учетом информативностивыбранного направления.4.Разработан формат иерархического описания сцены для формирования гипотезположения БЛА при навигации над малоинформативными участками.5.Разработан алгоритм определения информативного направления полета дляуточнения положения БЛА при навигации над малоинформативными участками местности.6.Показано, что использование предлагаемого алгоритма формированияадаптивных описаний ориентиров позволяет уменьшить вероятности ошибок обнаруженияв изменяемых условиях наблюдения.7.Показано, что предлагаемые методики предварительного определения гипотезположения БЛА на основе анализа сцены и планирования полета позволяют проводитьвизуальную навигацию на малоинформативных участках местности.Достоверность результатовДостоверность результатов, полученных в работе, подтверждается результатамиматематического и полунатурного моделирования процесса обнаружения ориентиров приизменении условий наблюдения и моделированием процесса навигации помалоинформативным ориентирам.Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные методики иалгоритмы формирования адаптивных описаний позволяют обнаруживать ориентиры приизменении условий наблюдения, а предложенные методика и алгоритм навигации помалоинформативным ориентирам позволяют уточнять текущее положение БЛА при полетенад малоинформативными участками местности.

Предложенные методики существенноповышают эффективность применения автономных БЛА за счет увеличения надежности ирасширения условий применения алгоритмов визуальной навигации.Апробация работыРезультаты работы докладывались на: Всероссийской науч.-тех. конференции«Экстремальная робототехника», г. Санкт-Петербург, 2012 г.; на науч.-тех. конференции«Техническое зрение в системах управления - 2013», г. Москва, 2013 г.; на международнойконференции «Scientific aspects of unmanned mobile objects (SAUMO-2013)», г. Демблин,Польша, 2013 г.; на 7-ом международном симпозиуме «Экстремальная робототехника робототехника для работы в условиях опасной окружающей среды (7th IARP RISE-ER'2013)»,г.

Санкт-Петербург, 2013 г.; на IX Всероссийской науч.-тех. конференции «Перспективныесистемы и задачи управления», г. Таганрог, 2014 г.; на четырнадцатой национальнойконференции по искусственному интеллекту с международным участием, г. Казань, 2014 г.;на 13-й международной конференции "Авиация и космонавтика-2014", г. Москва, МАИ, 2014г.Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры«Информационно-управляющие комплексы летательных аппаратов» МАИ.4ПубликацииПо результатам диссертационной работы опубликовано 13 работ, в том числе 3 научнотехнические статьи в изданиях, включённых в перечень ВАК, и 2 - в зарубежных изданиях.Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Работаизложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков, 15 таблиц и 59наименования литературных источников.К защите представляются следующие основные положения работы:1.Методика и алгоритм формирования адаптивных описаний ориентиров,позволяющие существенно расширить диапазон условий применения визуальнойнавигации.2.Результаты исследования влияния изменения условий наблюдения навероятности ошибок обнаружения ориентиров.3.Методика и алгоритм навигации на малоинформативных участках местности наоснове сравнения описаний сцены с описаниями фрагментов цифровой карты местности(ЦКМ), позволяющие формировать гипотезы положения и уточнять их за счет выбораинформативного направления полета.4.Структура и формат иерархического описания сцены на языке ситуационногоуправления.5.Программно-математическое обеспечение, позволяющее проводить модельные(полунатурные) эксперименты предложенных алгоритмов.6.Результатыэкспериментов,подтверждающиеработоспособностьиэффективность применения алгоритмов формирования адаптивных описаний ориентиров инавигации над малоинформативными участками местности (полями).СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обосновывается актуальность темы, проводится анализ литературы, даетсяобщая характеристика работы.В первой главе рассматриваются основные проблемы функционирования системвизуальной навигации автономных БЛА.

Проведен анализ подходов, позволяющих расширитьусловия применения систем визуальной навигации.Вопросы, связанные с выбором требуемой точности навигационной системы для различныхситуаций и этапов полета БЛА, были исследованы ранее и в данной работе нерассматриваются.Точность системы визуальной навигации зависит от точности обнаружения и оценкикоординат ориентира.Наиболее распространенным подходом к поиску ориентиров является использованиекорреляционно-экстремальных алгоритмов.Преимуществами данного подхода, основанного на пространственной фильтрацииизображений, являются простота реализации и высокая помехоустойчивость корреляционныхалгоритмов к высокочастотным шумам.Рассматриваемые дестабилизирующие факторы – изменения условий наблюдения, вчастности изменения освещенности наблюдаемой сцены, следует отнести к труднопрогнозируемым низкочастотным помехам.

Например, изменения освещенности могутсущественно сместить математическое ожидание (МО) яркости текущего изображенияобъекта интереса по сравнению с ЭИ, изменить среднеквадратическое отклонение (СКО) и пр.5В общем случае в корреляционно-экстремальных алгоритмах используются ЭИ, которыеследует отнести к наиболее сложным признакам объектов интереса.Сложность изображений затрудняет формирование ЭИ, адаптивных к изменению условийнаблюдения. Необходимо отметить, что к изменяемым условиям наблюдений относится нетолько изменение освещенности, в частности положение источника света относительнонаблюдаемой сцены, но и положение наблюдателя.Таким образом, для решения проблемы формирования адаптивных описаний предлагаетсяперейти к использованию более простых, но достаточно информативных и устойчивых кпомехам признаков объектов интереса.В этом случае вместо корреляционных алгоритмов следует применять более универсальныеметоды сопоставления эталонных и текущих описаний.Наиболее общим подходом при обнаружении или распознавании объектов являетсяиспользование статистических методов обнаружения и распознавания.Будем считать, что статистическая связь между полученными значениями признаков иклассами объектов определяется условными плотностями распределения (| ), где =(1 , 2 , .