Диссертация (Расширение условий функционирования систем визуальной навигации автономных беспилотных летательных аппаратов), страница 3

Проведены модельныеэксперименты алгоритма навигации на малоинформативных полях и показанаего работоспособность для различных ЦКМ.141.ПРОБЛЕМЫ НАВИГАЦИИ АВТОНОМНЫХ БЛАОсновной целью работы является повышение эффективности ирасширение условий функционирования автономных БЛА в неопределенныхи изменяемых условиях наблюдения за счет использования методоввизуальной навигации.В данной главе проводится анализ известных вариантов построениясистем визуальной навигации БЛА; рассматриваются проблемы, связанные сиспользованием визуальнойнавигациина борту автономногоБЛА;оценивается возможность решения этих проблем.1.1.Визуальная навигация автономных БЛАВ общем случае навигационными параметрами называются [1 - 3]параметры положения, скорости и ускорения подвижного объекта.В рамках данного исследования будем считать, что задача навигациизаключается в определении текущего положения БЛА с заданной точностью.При этом, условие решения навигационной задачи примет следующий вид:3  ≤ ∆ ,3  ≤ ∆ ,(1.1)где  ,  – СКО ошибок оценки положения по координатам X, Y; ∆ , ∆ –максимально допустимые значения ошибок.Будем считать, что задача навигации решена успешно при выполненииусловия (1.1).

Обозначим условие (1.1) как нав .Помимо точности, в работе рассматривается показатель вероятностирешения задачи навигации, т.е. вероятности определения навигационныхпараметров с заданной точностью:(нав ) ≥ тр ,(1.2)где (нав ) – вероятность определения координат с требуемой точностью.15Примем, что требуемые параметры ∆ , ∆ и тр определяются решаемойцелевой задачей.Например, в [21] принимается, что для обеспечения надежнойавтоматической посадки БЛА (по 3-й категории) необходимо выполнитьследующие требования: точности позиционирования в горизонтальном канале-  4,1м, в вертикальном канале -  0,4м.В то же время в работе [27] рассматривается точность полета БЛА сучетом требований к наблюдениям подстилающей поверхности.В качестве примера показано, что для надежной «сшивки» принимаемойвидеопоследовательности с относительной площадью перекрытия кадров 0,8необходимо выполнение условий по точности полета: на высоте 200м - 21,1м,а на высоте 400м - 44,17м.Требуемое перекрытие кадров определяется для различных типовподстилающей поверхности заранее.На основе заданных параметров тр и тр формируются требования кструктуре и составу НС.Одним из вариантов решения задачи навигации при ненадежной работеСНС является использование визуальной навигации [14 - 27].Под визуальной навигацией понимается [15] сопоставление текущего(ТИ) и эталонного (ЭИ) изображения местности (подстилающей поверхности)с последующей локализацией на текущем изображении заданных объектовсцены (ориентиров) и определением текущих координат этих объектов сцелью формирования управления ЛА.

ЭИ (с известными координатами)формируются заранее и хранятся в памяти бортовой вычислительной системы.ТИ подстилающей поверхности принимается бортовой системой наблюдения(СН), например ТВ-камерой, в процессе полета БЛА.В общем случае для поиска искомого участка местности или ориентираможет использоваться не изображение, а некоторое описание, позволяющееидентифицировать этот участок.16Примем, что под эталонным описанием понимается совокупностьразличныхпризнаков[28-32]:распределенияяркостей,2Dи3Dгеометрические модели, векторы признаков, иные формальные описания.Частным случаем эталонного описания является ЭИ.Очевидно, что для сопоставления эталонного и текущего описанийместности они должны быть представлены в едином формате.Использование систем визуальной навигации в качестве альтернативыСНС рассматривается во многих отечественных и зарубежных работах [23-35,40].В [21, 27] рассматривается система «СТЗ – БИНС».

В ее состав входят:БИНС, магнитный компас, видеокамера на стабилизированном подвесе,направленная вертикально вниз. Используется комплексирование методоввизуальной навигации и БИНС. Полет к предполагаемому месту нахожденияориентира происходит на основе показаний БИНС. Для идентификации иоценки координат ориентиров используются корреляционные алгоритмысопоставления ЭИ и ТИ ориентиров.Коррекция показаний БИНСпроизводится на основе результатов обнаружения ориентиров. В [22]подробно исследуются вопросы комплексирования визуальной информации иинформации, получаемой ИНС.В статье [23] представлена концепция построения бортовой автономнойвидео навигационной системы, использующей видеоинформацию с бортовойкамеры и хранящиеся в цифровом формате эталонные изображения спривязкой к местности.

Система позволяет осуществлять автономнуюнавигацию в отсутствие GPS. Относительное положение и движениеотслеживаются путем сравнения последовательно идущих видеокадров,поступающих с бортовой камеры.В [24] исследуется точная система определения положения ЛА, котораяявляется основой для определения параметров полета. Системы измеренияпараметров на основе видеоизображения являются альтернативой дляопределения положения БЛА. Тем не менее, ограничения поля зрения и17расстояния во многих случаях делают такие системы более подходящими длянебольшой области полета или для использования системы на малых БЛА.Проблемы комплексирования бортовой НС и СТЗ, структура подобнойНС и ее точности уже были исследованы ранее и далее в работерассматриваться не будут.Однако в известных работах не рассматривались решения задачвизуальной навигации автономного БЛА, связанные со следующимипроблемами:1. Изменением наблюдаемых характеристик ориентиров при измененииусловий наблюдения (день-вечер, зима-лето и пр.), что приводит кувеличению ошибок обнаружения ориентиров;2.

Функционированием в условиях малоинформативных навигационныхполей. В частности, в случаях когда БЛА может оказаться вне областинаблюдения, достаточно информативного ориентира.Наличие указанных проблем в существенной степени ограничиваетвозможности использования визуальной навигации и, следовательно,уменьшает эффективность применения автономных БЛА.Рассмотрим данные проблемы более подробно.Проблема 1. Изменение наблюдаемых характеристик ориентиров приизменении условий наблюдения.Предположим, что во время полета БЛА меняются условия наблюдения(например, меняется освещенность сцены из-за изменения положенияСолнца).

При изменении условий наблюдения будут меняться различныенаблюдаемые признаки ориентиров: распределение яркостей и цвета, текстураи пр. Тогда подготовленные ранее эталонные изображения, используемые дляраспознавания искомых объектов, будут существенно отличаться отпринимаемых текущих изображений, что может привести к ошибкамобнаружения ориентиров и соответствующим ошибкам навигации.Подходы к обнаружению ориентиров, описанные, например, в работах[28-30, 32], не учитывают рассмотренные изменения условий наблюдений. В18этих работах используются постоянные эталонные описания или ЭИ,полученные для конкретных условий наблюдения.Следовательно,длярешенияуказаннойпроблемынеобходиморазработать методику формирования эталонных описаний ориентиров,адаптивных к изменению условий наблюдения.Проблема 2.

Функционирование в условиях малоинформативныхнавигационных полей.Здесь рассматриваются ситуации, когда БЛА не может обнаружитьориентиры, которые обеспечивают решение требуемой навигационной задачи.Подобные ситуации могут возникнуть, в частности, при полученииизображения водной поверхности, леса, поля и т.п. Если эти типыповерхностей или их границы не имеют уникальных особенностей,позволяющих локализовать положение наблюдаемых участков, то их можноотнести к группе малоинформативных ориентиров.

То есть распознаваниеконкретного класса поверхности позволяет определить, что БЛА находится«над водной поверхностью», «над лесом» или «над полем», но точностьоценки координат (в большинстве практических случаев) не соответствуеттребованиям целевой задачи.В рамках рассматриваемой проблемы необходимо разработать сценарийдействий, который помог бы решить задачу навигации БЛА при условии, чтов некоторый момент система визуальной навигации не может обнаружитьдостаточно информативный ориентир, т.е. ориентир, позволяющий решитьнавигационную задачу с требуемой точностью.Очевидно, что если задача решается только методами визуальнойнавигации, а в пределах достижимости БЛА нет достаточно информативныхориентиров, то задача физически не реализуема.ЕсливпределахдостижимостиБЛАимеютсядостаточноинформативные ориентиры, то их обнаружение может обеспечить решениепоставленных задач.19В работе предлагается подход, основанный на выборе направленияполета БЛА, которое может с наибольшей вероятностью привести кнахождению какого-либо ориентира.Следует отметить, что в общем случае выбор ориентира долженпроизводиться с учетом:─его информативности, т.е.

при обнаружении ориентира должнооднозначно определяться положение БЛА (в соответствии с (1.1)),─заданной вероятности обнаружения ориентира (1.2),─максимально допустимого расстояния между ориентирами.Выдерживание в полете максимально допустимого расстояния междуориентирамиобеспечиваетвозможностьпривязкикпоследующимориентирам, т.е. искомый ориентир должен попасть в поле зрения системынаблюдения БЛА.

В противном случае ориентир может быть не найден.Оценка максимального допустимого расстояния между ориентирами( ) производится с учетом уходов ИНС (ИНС ): ≤ БЛА∆ИНС,(1.3)где ∆ − максимальная погрешность выдерживания траектории БПЛА, прикоторой возможно наблюдение ориентира (связана с областью видимостибортовой камеры); БЛА – скорость БЛА.В соответствии с рассмотренными задачами раздел 1.2 посвященобсуждению возможности разработки адаптивных эталонных описанийориентиров, а в разделе 1.3 рассматриваются вопросы навигации БЛА помалоинформативным ориентирам.1.2.Поиск и обнаружение ориентиров в изменяемых условияхнаблюденияКак было показано в работах [20, 21, 27, 30], точность системывизуальной навигации в существенной степени зависит от точностиобнаружения и оценки координат ориентиров.20Поиск и обнаружение объектов (ориентиров) на подстилающихповерхностях может выполняться на основе различных подходов.Наиболее распространенным подходом к поиску ориентиров являетсяиспользование корреляционно-экстремальных алгоритмов [30-34].