Диссертация (Расширение условий функционирования систем визуальной навигации автономных беспилотных летательных аппаратов), страница 11

При этом различия описаний закладываютсяна уровне формирования алфавита классов и набора атрибутов этих классов.«Отношения», «Объекты» и «Атрибуты» связаны с текущимиусловияминаблюдения(«Условиянаблюдения»)отношением«ограничивается». За счет этого в описаниях используется ограниченный84набор объектов, атрибутов и отношений, актуальных для текущих условий.Например, для определенных регионов или времени суток использованиенекоторых объектов нецелесообразно.Такимобразом,вклассе«Сцена»происходитопределениенаблюдаемых объектов (по текущему изображению), их свойств и отношениймежду ними на основе соответствующих классов. Однако процесс описанияможет быть последовательным, т.е.

при описании атрибуты и описанияобъектов проверяются согласно некоторой заложенной заранее иерархии(принцип иерархичности).На рисунке 3.2 представлен пример структуры трехуровневогоиерархического описания сцены для решения задачи навигации.1.Присутствие ОИна сцене2.АтрибутыОИ3.Отношениямежду ОИРисунок 3.2. Структура иерархии описанийПервый уровень соответствует описанию, включающему списокприсутствующих на сцене ОИ. Например, «лес», «поле».

Если данноеописание является уникальным, то оно может оказаться достаточноинформативным для решения поставленных задач.В противном случае может быть использовано описание 2-го уровня,дополняющее предыдущее описание атрибутами объектов. Например, «лес –лиственный», «поле-зеленое».Следующий3-йуровеньописанийотличаетсявключениемпространственных отношений между ОИ. На этом уровне происходит оценка85положения ОИ на сцене, которое может быть представлено в виде координатцентра масс соответствующей области на изображении или в понятийном виде(например, понятиями «южнее», «севернее» и подобными).Далее могут рассматриваться отношения между объектами болеевысокого уровня, например пересечение линейных ориентиров, включениеобъектов друг в друга (окружение некоторого объекта), и пр.Формирование каждого последующего уровня описаний связано с болееглубоким анализом сцены и с использованием большего количестваинформации.Язык описаний сценВкачествеязыкаописаниясценыпредлагаетсяиспользоватьпредикатные описания на основе языков ситуационного управления [53 - 56].Описание представляет собой перечисление наблюдаемых объектов, ихпризнаков и отношений в форме предикатов.

При этом предикатысвязываются символами ^,  - логического «и», логического «или»соответственно.Подобноеописаниеотвечаюттребованиямоткрытостииуниверсальности.Формат описанияВ работе предлагается определенный формат описания.В качестве примера рассмотрим описание 1-го уровня некоторой сцены,на которой присутствуют следующие классы объектов: дорога - О(1), обочина– О(2), лес – О(4); «1» - индекс объекта в описании:Ds( «1»(O(1)) ^ «2» (O(2))^ «3»(O(4)) ).Предикат Ds обозначает начало описания. На данном уровне показано,какие объекты («1», «2», «3») и каких классов (дорога, обочина, лес)присутствуют на сцене. Предикат О(.) указывает на класс объекта.

В данномописании рассматриваются только малоинформативные объекты. Классобъекта задается в скобках: 1 – дорога, 2 – обочина, 3 – поле, 4 – лес.86Расширение описания производится за счет добавления предикатов(соответствующих атрибутов) в описание объектов.Пример описания 2-го уровня:Ds( «1» (O(3)^G([«северо-запад»])) ),где предикат G задает атрибут положения объекта «1» класса 3 (поле).Для различных классов объектов описания положения могут бытьразличными.

Например, в некоторых случаях можно задать координатыцентра масс (K[XY]) и моменты инерции (M[JxJy]) их изображений. Подробнееподобные описания показаны в [36, 53]. В данной работе рассмотреныпонятийные описания положения объектов, оперирующие понятиями«центр», «юг», «запад», «север», «восток». Подобные описания являютсяболее устойчивыми к изменению формы объектов или к ошибкам ихраспознавания.Описания положения могут быть ориентированы относительно центратекущего изображения или относительно других объектов. Так, в примереиспользуетсяописаниеотносительнотекущегоизображения.ЗаписьG([«северо-запад»]) означает, что объект расположен на северо-западенаблюдаемой сцены (считается, что в состав бортового оборудования включенкомпас (магнитометр)).Примером относительного положения объекта можно считать описаниеположения обочины относительно поля:Ds( «4»(O(4)^G([«3»:«юг»])) ,означающее, что объект «4» расположен южнее объекта «3» (поле).Запись G([«1»:«север»]) вместо G([«3»:«юг»]) означает, что объект «4»находится севернее объекта «1», т.е.

дороги.3.3.Алгоритм формирования гипотез положения БЛАКлючевым для решения задачи навигации является класс «Гипотезположения» (рисунок 3.1), который содержит оценки возможного положения87БЛА (гипотезы), полученные на основе сравнения элементов описаниятекущей сцены и описаний фрагментов карты.На рисунке 3.3 представлен предлагаемый алгоритм визуальнойнавигации по малоинформативным ориентирам.Вход1. Обнаружение ОИ6.Уточнить описание2. Описание сцены3. Сравнение с ЦКМ4. доп ( |0 ) ≥( )ДаНет5. Можно уточнитьописание7. Поиск информативногоучасткаВыходРисунок 3.3. Алгоритм визуальной навигации по малоинформативнымориентирамДо запуска алгоритма необходимо произвести предварительный анализЦКМ и априорной информации о положении БЛА.

На этом этапе строитсяраспределение вероятности его нахождения в различных местах карты. Приотсутствии априорной информации о параметрах полета БЛА (и предыдущихкоординатах) его текущее положение принимается равновероятным для всехучастков карты.На основании оценок вероятностей рассчитывается априорная энтропияположения БЛА 0 ( ).В блоке 1 алгоритма производится прием текущего изображения иобнаружение малоинформативных ориентиров (ОИ), обнаружение или88необнаружение которых позволит уменьшить энтропию 0 ( ). Выборориентиров производится на основе соответствующего класса онтологии(класс «Объекты», ограниченный условиями наблюдения).

Обнаружениеориентиров производится алгоритмами, описанными в разделе 2, изаключается в определении принадлежности каждого фрагмента изображенияопределенному классу объектов (например лесу или дороге).В блоке 2 производится анализ (формирование описаний) наблюдаемойсцены. Описание будет заключаться в выявлении атрибутов и отношениймежду объектами.

Различные наборы атрибутов и отношений соответствуютразному уровню (детализации) описания.В блоке 3 описания, полученные на предыдущем этапе, необходимосравнить с аналогичными описаниями фрагментов карты. Результатом этапаявляется набор гипотез возможного положения БЛА и текущий уровеньэнтропии ( ).В блоках 4 и 5 происходит проверка условий.

В блоке 5 проверяетсяусловие выполнения ЦЗ. В качестве условия окончания работы алгоритмапредлагается:доп ( |0 ) ≥ ( ),(3.17)где ( |0 ) - текущее значение энтропии положения (по формуле (3.11));доп ( ) – допустимая энтропия, заданная целевой задачей.Если условие выполнено, работа алгоритма завершается. Если условиене выполнено, алгоритм переходит в блок 5. В блоке 6 проверяетсявозможность уточнения описания. Предполагается, что при переходе на новыйуровень описания может сократиться энтропия положения аппарата. Еслиуточнение описания возможно, алгоритм переходит в блок 6, иначе – в блок 7.В блоке 6 алгоритма производится выбор атрибутов для дальнейшегоанализа сцены. Выбор атрибутов зависит от заданного уровня описаний.Результатомработыданногоблокаявляетсянаборатрибутов,сиспользованием которых будут повторяться расчеты в блоках 1-5.89Если более детальное описание невозможно, тогда алгоритм переходитк 7-му блоку.Планирование маршрута заключается в формировании дальнейшейстратегии полета БЛА, обеспечивающей гарантированное уменьшениеэнтропии.

Для этого необходимо произвести анализ ЦКМ с учетом ужеполученнойинформации,пересчитатьинформативностьотдельныхфрагментов ЦКМ и выбрать наиболее информативное направление.Подробнее этот этап описан в разделе 3.3.Далее рассмотрим подробнее процедуры формирования и сравненияописаний наблюдаемой сцены.В качестве примера рассмотрим задачу определения собственногоположениямалоразмерногоБЛАнаосновеанализаизображенияподстилающей поверхности.

БЛА оснащен СТЗ, в памяти которой имеетсяэталонная ЦКМ (рисунок 3.4).Рисунок 3.4. Цифровая карта местностиКак было показано в разделе 3.1, ЦКМ разбивается на одинаковыефрагменты. При этом задача заключается в определении положения сточностью до фрагмента.90На рисунке 3.4 прямоугольником показано текущее положение БЛА(область, наблюдаемая бортовой СТЗ). На рисунке 3.5 показан фрагментизображения подстилающей поверхности, полученный на борту БЛА.Рисунок 3.5.