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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего профессионального образования«Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)»(МАИ)На правах рукописиБодунков Николай ЕвгеньевичРАСШИРЕНИЕ УСЛОВИЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМВИЗУАЛЬНОЙ НАВИГАЦИИ АВТОНОМНЫХБЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВСпециальность 05.13.01Системный анализ, управление и обработка информации(Авиационная и ракетно-космическая техника)Диссертацияна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель: кандидат технических наук, профессорКим Николай ВладимировичМосква 2015 г.ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................

31.ПРОБЛЕМЫ НАВИГАЦИИ АВТОНОМНЫХ БЛА ........................ 15ВИЗУАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ АВТОНОМНЫХ БЛА ................................ 15ПОИСК И ОБНАРУЖЕНИЕ ОРИЕНТИРОВ В ИЗМЕНЯЕМЫХ УСЛОВИЯХНАБЛЮДЕНИЯ ................................................................................................ 201.3.

НАВИГАЦИЯ НА МАЛОИНФОРМАТИВНЫХ ПОЛЯХ ............................. 291.1.1.2.2.ВИЗУАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ В ИЗМЕНЯЕМЫХ УСЛОВИЯХНАБЛЮДЕНИЯ .................................................................................................. 38АДАПТИВНЫЕ ЭТАЛОННЫЕ ОПИСАНИЯ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕНЕЧЕТКИХ СИСТЕМ ........................................................................................ 412.2. СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЭТАЛОННЫХ ОПИСАНИЙ ....................... 492.3.

ВЫБОР ФУНКЦИЙ ПРИНАДЛЕЖНОСТИ И НЕЧЕТКИХ ПРАВИЛ ............. 552.4. МЕТОДИКА ОБУЧЕНИЯ НЕЧЕТКОЙ СИСТЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯАДАПТИВНЫХ ОПИСАНИЙ ............................................................................. 652.5. ВАРИАНТЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ НЕЧЕТКОЙ СИСТЕМЫ .......................... 692.1.3.НАВИГАЦИЯ НА МАЛОИНФОРМАТИВНЫХ ПОЛЯХ ............... 74ОЦЕНКА ИНФОРМАТИВНОСТИ ОРИЕНТИРОВ .....................................

74МЕТОДИКА ОПИСАНИЯ НАБЛЮДАЕМЫХ СЦЕН.................................. 81АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ ГИПОТЕЗ ПОЛОЖЕНИЯ БЛА................. 87МЕТОДИКА И АЛГОРИТМ ВЫБОРА ИНФОРМАТИВНОГО НАПРАВЛЕНИЯПОЛЕТА БЛА .................................................................................................

973.1.3.2.3.3.3.4.4.ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ АЛГОРИТМОВВИЗУАЛЬНОЙ НАВИГАЦИИ БЛА ............................................................. 103СРАВНЕНИЕ МОДЕЛЬНЫХ И АДАПТИВНЫХ ОПИСАНИЙ ОБЪЕКТОВИНТЕРЕСА ....................................................................................................

1034.2. СРАВНЕНИЕ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ АЛГОРИТМОВ СОПОСТАВЛЕНИЯИЗОБРАЖЕНИЙ И АЛГОРИТМОВ НА ОСНОВЕ АДАПТИВНЫХ ОПИСАНИЙ ...... 1144.3. ОЦЕНКА ВЕРОЯТНОСТИ ОШИБОК ОБНАРУЖЕНИЯ ОРИЕНТИРОВ ВИЗМЕНЯЕМЫХ УСЛОВИЯХ НАБЛЮДЕНИЯ .................................................... 1204.4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОШИБОК ОБНАРУЖЕНИЯ ОРИЕНТИРОВ НАОПИСАНИЕ НАБЛЮДАЕМОЙ СЦЕНЫ ............................................................. 1294.5. ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ АЛГОРИТМА НАВИГАЦИИ ПОМАЛОИНФОРМАТИВНЫМ ОРИЕНТИРАМ....................................................... 1404.1.ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................. 147СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................................... 1492ВВЕДЕНИЕВ последние годы широкое распространение получают малоразмерныеБЛА, оснащенные системами наблюдения, например телевизионной (ТВ),тепловизионной(ТПВ)и/илирадиолокационной(РЛ)аппаратуройнаблюдения [1-8]. В ряде ситуаций проведение мониторинговых илиразведывательных операций более эффективно выполнять с помощьюподобных аппаратов.Так как решение многих целевых задач (ЦЗ) при помощи БЛА,управляемыхоператорами,вреальныхусловияхфункционированиястановится сложным или невозможным, актуальной является задачаразработки автономных БЛА.Под автономными БЛА принято понимать летательные аппараты [4, 5]:─автономно выполняющие ЦЗ, способные анализировать текущуюситуацию и самостоятельно реагировать на возникающие угрозы;─использующие для выполнения поставленной задачи (например,обнаружения, распознавания и слежения за объектом интереса) толькобортовое оборудование;─в которых связь с наземной станцией служит только для приемаЦЗ и передачи телеметрии (т.е.

при потере связи с наземной станциейвыполнение ЦЗ будет продолжено).Основными задачами наблюдения автономных БЛА можно считать: автоматический поиск и обнаружение объектов интереса; распознавание (идентификацию) объектов; слежение за объектами; оценку и прогнозирование траекторий движения объектовинтереса.В рамках выполнения подобных задач БЛА должны быть оснащеныбортовым оборудованием, обеспечивающим:3 организацию автономных полетов БЛА (без участия в управлениичеловека-оператора); полет БЛА в условиях отсутствия или ненадежной работыспутниковой навигации; полет БЛА в изменяемых условиях функционирования, в частностив изменяемых условиях освещенности наблюдаемых сцен.Существует множество БЛА, которые (по своим характеристикам иоснащению целевой аппаратурой) могут выполнять задачи мониторинга иразведки.

Например, БЛА российского производства - аппараты вертолетноготипа «ZALA-421-08» (Zala Aero Group, 2011) [10] и самолетного типа«DELTA-M» (ГеоСервис, 2014) [11], решающие задачи мониторинга земнойповерхности, картографирования и разведки как в автономном, так и впилотируемом режимах. Длительность автономной работы аппаратовдостигает 3 - 4 часов при дальности 30 - 40 км.Самым распространенным разведывательно-ударным БЛА США можносчитать «MQ-9 Reaper» (General Atomics, 2014) [12], длительностьавтономного полета которого превышает 27 часов.В общем случае бортовые системы автономных БЛА являютсясложными информационными комплексами.Поэтому для эффективногорешения поставленных задач первоочередное значение имеет состав икачество целевого оборудования, в частности аппаратуры наблюдения, атакже характеристики цифровой системы автоматического управленияполётом.

При этом точность полета БЛА в определяющей степени зависит отработы навигационной системы (НС) БЛА.В работах [1 – 3, 15] показаны методы построения навигационныхсистем, основанных на интеграции данных, получаемых от инерциальнойнавигационной системы (ИНС) и спутниковой навигационной системы (СНС).Обсуждаются преимущества подобного подхода. Рассмотренные системынадежно решают многие целевые задачи в режиме дистанционногоуправления и при устойчивой работе СНС.4Примером современной НС российского производства является«КомпаНав-3» (ООО ТеКнол, 2015) - ультракомпактная интегрированнаяинерциально-спутниковаянавигационнаясистеманамикроэлектромеханических чувствительных элементах [13].В этой НС для оценки навигационных параметров используетсяалгоритм интегрирования данных GPS/ГЛОНАСС с измерениями ИНС.Ошибки системы при этом составляют 0,3° при определении курса и 6 м - приопределении положения.

Однако при отсутствии сигналов СНС через 5 минработы ошибка определения курса составит 2,5°, а положения - 500 м, чтонедопустимо для большинства решаемых ЦЗ.Дальнейшее выполнение ЦЗ БЛА в подобных случаях возможно толькоза счет использования альтернативных навигационных систем.Таким образом, одним из важных направлений модернизации бортовогооборудования автономных БЛА является разработка средств навигации,обеспечивающих полет в условиях отсутствия сигналов СНС.Альтернативным вариантом полетов без СНС является использованиеобзорно-сравнительного метода навигации. В этом направлении ведетсябольшое количество исследований и проектов, многие из которых успешнореализованы.Так, в работе [1] рассмотрены теоретические и практические вопросыпостроения обзорно-сравнительных систем навигации по геофизическимполям.Рассматриваетсянавигационныхсистем,классификацияпредставленыкорреляционно-экстремальныхпримерыреализацииНСпоповерхностным геофизическим полям и по аномальным пространственнымземным полям.Разновидностями обзорно-сравнительных методов являются методывизуальной навигации, основанные на использовании бортовой системытехнического зрения (СТЗ), способной, помимо целевых задач обнаружения ираспознавания объектов интереса (ОИ), автономно решать задачи наведения инавигации по наземным ориентирам [14 - 19].

При этом под визуальной5навигацией понимается процесс сопоставления текущего изображения (ТИ),принимаемого бортовой системой наблюдения, и эталонных изображений(ЭИ) ориентиров или сцен (заложенных в память БЛА) с известнымикоординатами с целью идентификации искомого ориентира и определениятекущего положения БЛА.В общем случае поиск объектов интереса, в частности ориентиров, натекущем изображении может быть реализован не только сопоставлением ТИи ЭИ, но и сравнением различных атрибутов или визуальных признаков,например цвета, формы, текстуры и пр., выделяемых на ТИ и ЭИ.

Вдальнейшем будем называть атрибуты (признаки) объектов или их наборы(совокупности) – описаниями объектов или сцен.Вопросы построения интегрированных навигационных систем БЛА, вчастности с использованием визуальной навигации, рассматривались в [14,15]. В работах [20-27] были рассмотрены различные варианты построениясистем визуальной навигации. Исследовалась точность оценки параметровполета ЛА в зависимости от параметров системы наблюдения и условийнаблюдения.Вуказанныхработахрассмотреныслучаиуспешногоиспользования систем визуальной навигации, которые существенно степенповышают автономность БЛА за счет использования СТЗ вместо СНС.Актуальность темыМожно выделить следующие основные задачи, решаемые в рамкахвизуальной навигации: обнаружение ориентиров (объектов с известными координатами)на наблюдаемой сцене; оценка собственных координат по положению ориентира на сцене.Эффективностьреализацииметодоввизуальнойнавигации,определяемая точностью оценки собственных координат БЛА, в значительнойстепени зависит от надежности или вероятности правильного обнаруженияискомых ориентиров.

При этом, если обнаруженный ориентир не является на6наблюдаемой сцене уникальным, то возникнет неопределенность в оценкеистинного положения БЛА.Ошибки обнаружения ориентиров и/или отсутствие на наблюдаемыхсценах уникальных ориентиров может привести к невозможности решатьтребуемые навигационные и целевые задачи БЛА.При длительном полете БЛА возможно возникновение двух факторов,негативно влияющих на решение указанных задач.Первымфакторомявляетсявозможноеизменениеусловийнаблюдения (например, освещенности ориентира при изменении временисуток), которое приведет к изменению описаний (признаков) ориентиров наТИ.Если для обнаружения (идентификации) ориентира будет использованоэталонное описание, полученное для других условий (освещенности), тосравнение этих описаний (по какому-либо критерию) может привести кувеличению ошибок обнаружения и, соответственно, к ошибкам оценкисобственных координат.Следовательно, для снижения влияния данного фактора на надежностьобнаруженияориентировнеобходимосравниватьтекущиеописанияориентиров с эталонными описаниями, полученными для соответствующих(подобных) условий наблюдения.Одним из решений данной проблемы может быть использованиенабора описаний ориентиров для всех возможных условий.