Диссертация (Расширение условий функционирования систем визуальной навигации автономных беспилотных летательных аппаратов), страница 2

Очевиднымнедостатком этого решения является сложность или даже невозможностьформирования и хранения в памяти БЛА такого набора описаний.Другоерешениеоснованонаматематическоммоделированиинаблюдаемой сцены для различных условий с использованием общихфизических законов.

Главным недостатком такого подхода являетсяиспользование множества трудно формализуемых факторов (например,отражающих свойств текстур) при формировании модели.7Рассмотренные варианты решений задачи визуальной навигации визменяемых условиях являются трудно реализуемыми.В данной работе предлагается решить эту задачу путем формированияэталонных описаний, адаптивных к текущим условиям наблюдения, адаптивных эталонных описаний. При этом формирование адаптивныхописаний в реальном времени должно основываться на существующемограниченном наборе ЭИ.Использование подобных описаний позволит существенно расширитьдиапазон условий применения визуальной навигации и соответствующих ЦЗБЛА.Таким образом, разработка алгоритмов формирования адаптивныхописаний ориентиров для изменяемых условий наблюдения являетсяактуальной задачей.Второй фактор, затрудняющий визуальную навигацию БЛА, отсутствие ориентиров (уникальных для данной сцены объектов с известнымикоординатами) на сцене, наблюдаемой СТЗ БЛА.Ситуации,прикоторыхвлияниеданногофактораявляетсяопределяющим, возникают, например, при полете БЛА над однороднымиподстилающими поверхностями – лесом, полем.

При этом наблюдаемые сБЛА сцены (при отсутствии уникальных особенностей изображения)являются малоинформативными, так как не позволяют однозначно стребуемой точностью определить текущие координаты БЛА.Так как при выполнении различных ЦЗ автономными БЛА могут бытьвозможны полеты над малоинформативными участками местности, торазработка алгоритмов визуальной навигации, функционирующих в подобныхситуациях, является актуальной.Целью работы является расширение условий функционированияавтономных БЛА за счет использования алгоритмов визуальной навигации,обеспечивающих поиск ориентиров и оценку координат БЛА с помощью8описаний, адаптивных к изменяемым условиям наблюдения, и способныхфункционировать на малоинформативных участках местности.Объектом исследования является автономный БЛА.Предметом исследования является алгоритм визуальной навигации,обеспечивающий автономное выполнение целевой задачи в изменяемых илинеопределенных условиях наблюдения.Методы исследования.

Исследования выполнены с использованиемаппарата математического моделирования, технологий компьютерногозрения, статистических методов распознавания, методов нечеткой логики иметодов теории информации.Научная новизна работы:1.Предложен подход к обнаружению ориентиров на основеиспользования эталонных описаний, адаптивных к изменению условийнаблюдения.2.Разработан алгоритм формирования и использования адаптивныхописаний ориентиров на основе нейронечетких систем.3.надПредложен подход к решению задачи визуальной навигации БЛАмалоинформативнымиучасткамиместности,основанныйнапредварительном определении гипотез положения БЛА, планировании иреализации полета с учетом информативности выбранного направления.4.РазработанформированияформатгипотезиерархическогоположенияБЛАописанияприсценынавигациидлянадмалоинформативными участками.5.полетаРазработан алгоритм определения информативного направлениядляуточненияположенияБЛАпринавигациинадмалоинформативными участками местности.6.Показано,чтоиспользованиепредлагаемогоалгоритмаформирования адаптивных описаний ориентиров реализуемо и позволяетуменьшить вероятности ошибок обнаружения в изменяемых условияхнаблюдения.97.Показано,чтопредлагаемыеметодикипредварительногоопределения гипотез положения на основе анализа сцены и планированияполета позволяют проводить визуальную навигацию на малоинформативныхучастках местности.Достоверность результатов, полученных в работе, подтверждаетсярезультатами математического и полунатурного моделирования процессаобнаруженияориентировприизмененииусловийнаблюденияимоделированием процесса навигации по малоинформативным ориентирам.Практическаязначимостьработызаключаетсявтом,чторазработанные методики и алгоритмы формирования адаптивных описанийпозволяют обнаруживать ориентиры при изменении условий наблюдения, апредложенные методика и алгоритм навигации по малоинформативнымориентирам позволяют уточнять текущее положение БЛА при полете надмалоинформативнымиучасткамиместности.Предложенныеметодикисущественно повышают эффективность применения автономных БЛА за счетувеличения надежности и расширения условий применения алгоритмоввизуальной навигации.Апробация работыРезультаты работы докладывались на: Всероссийской науч.-тех.конференции «Экстремальная робототехника», г.

Санкт-Петербург, 2012; нанауч.-тех. конференции «Техническое зрение в системах управления - 2013»,г. Москва, 2013; на международной конференции «Scientific aspects ofunmanned mobile objects (SAUMO-2013)», г. Демблин, Польша, 2013; на 7-ммеждународном симпозиуме «Экстремальная робототехника - робототехникадля работы в условиях опасной окружающей среды (7th IARP RISE-ER'2013)»,г. Санкт-Петербург, 2013; на IX Всероссийской науч.-тех. конференции«Перспективные системы и задачи управления», г. Таганрог, 2014 г.; начетырнадцатой национальной конференции по искусственному интеллекту смеждународным участием, г. Казань, 2014; на 13-й международнойконференции "Авиация и космонавтика-2014" Москва, МАИ, 2014.10Результаты диссертационной работы используются в учебном процессекафедры «Информационно-управляющие комплексы летательных аппаратов»МАИ.Результаты диссертационной работы используются в учебном процессекафедры «Информационно-управляющие комплексы летательных аппаратов»МАИ.Публикации.

По результатам диссертационной работы опубликовано 12работ, в том числе 3 научно-технические статьи в изданиях, включённых вперечень ВАК, и 3 - в зарубежных изданиях.К защите представляются следующие основные положения работы:1.Методика и алгоритм формирования адаптивных описанийориентиров, позволяющие существенно расширить диапазон условийприменения визуальной навигации.2.Результаты исследования влияния изменения условий наблюденияна вероятности ошибок обнаружения ориентиров.3.Методика и алгоритм навигации на малоинформативных участкахместности на основе сравнения описаний сцены с описаниями фрагментовЦКМ, позволяющие формировать гипотезы положения и уточнять их за счетвыбора информативного направления полета.4.Структура и формат иерархического описания сцены на языкеситуационного управления.5.Программно-математическоепроводитьмодельные(полунатурные)обеспечение,экспериментыпозволяющеепредложенныхалгоритмов.6.Результаты экспериментов, подтверждающие работоспособностьи эффективность применения алгоритмов формирования адаптивныхописаний ориентиров и навигации над малоинформативными участкамиместности (полями).11Впервойглаверассматриваютсяосновныепроблемыфункционирования БЛА.

Проведен анализ подходов, позволяющих расширитьусловия применения автономных БЛА, на основе использования методоввизуальной навигации.Показана необходимость разработки методик и алгоритмов визуальнойнавигации: обеспечивающих поиск ориентиров с помощью эталонных описаний,адаптивных к изменению условий наблюдения; ориентированных на решение задач определения положения БЛА принавигации на малоинформативных полях.Вторая глава посвящена проблеме обнаружения ориентиров визменяемых условиях наблюдения.Обнаружение производится на основе сопоставления эталонныхописаний ориентиров, заложенных в память БЛА, с текущим изображениемсцены, принимаемым бортовой СТЗ.

Показано, что изменение условийнаблюдения (например, времени суток) может привести к изменениюописания ориентира (например, распределения яркости), что, в свою очередь,может негативно повлиять на вероятность правильного обнаружения. Такимобразом, одной из важнейших задач визуальной навигации являетсяформирование описаний, адаптивных к изменению условий наблюдения.Основными факторами, затрудняющими решение данной задачи, являются:большое требуемое количество эталонных описаний ориентиров и трудноформализуемые аналитические зависимости влияния условий наблюдения наописания.В главе предлагаются методика и алгоритм формирования описаний наоснове нечетких систем, позволяющие с использованием ограниченногонабора имеющихся эталонных описаний ориентиров для определенныхусловий наблюдения формировать адаптивные описания для новых (текущих)условий.

Предлагаемый подход существенно ограничит требуемое количествоэталонных описаний за счет использования нечетких экспертных знаний.12В работе показана реализуемость и эффективность данного подхода.Показано, что использование адаптивных описаний позволяет уменьшитьвероятность ошибки обнаружения ориентиров.Также в главе рассмотрен вопрос выбора способа описания и реализациинечеткой системы на борту БЛА. Был проведен анализ различных способовпредставления знаний. Предложен вариант представления нечеткой системына основе фреймов.В третьей главе рассматривается проблема навигации автономных БЛАна малоинформативных участках местности, которые далее будут называтьсямалоинформативнымиполями.Малоинформативныеполядаютнеоднозначную оценку положения, так как не содержат информативных(например, уникальных) ориентиров.Однако на основе анализа текущей наблюдаемой сцены в такихусловиях можно получить набор оценок возможного положения – гипотез.Под анализом сцены понимается составление описаний объектов сцены иотношений между ними с целью дальнейшего сравнения с подобнымиописаниями фрагментов цифровой карты местности (ЦКМ).

В результатесравнения определяются фрагменты со схожими описаниями, координатыкоторых принимаются за гипотезы положения.В главе предлагаются методика и алгоритм визуальной навигации наоснове формирования и сравнения описаний сцены. Предложен форматиерархического описания сцены.Гипотезы, полученные в результате анализа сцены, позволяютуменьшитьнеопределенностьтекущегоположения,ноневсегдаобеспечивают требуемую (заданную ЦЗ) точность. Таким образом, возникаетзадача планирования дальнейшего полета с целью уточнения положения.Предлагаетсяалгоритмвыборанаправленияполета,содержащегоинформативные участки местности, анализ которых позволит уточнитьоценки положения.13Вчетвертойглавеприведенырезультатыэкспериментальныхисследований предлагаемых алгоритмов.

Показаны работоспособность иэффективностьиспользованияалгоритмовформированияадаптивныхописаний ориентиров и навигации по малоинформативным ориентирам.Проведены исследования влияния изменения условий наблюдения навероятности ошибок обнаружения ориентиров. Также показано, чтоиспользование алгоритма формирования адаптивных описаний на основенечетких систем позволяет уменьшить ошибки обнаружения ориентиров иполучить более точные описания наблюдаемой сцены.