Диссертация (Расширение условий функционирования систем визуальной навигации автономных беспилотных летательных аппаратов), страница 5

В этом случае решение навигационной задачиметодами визуальной навигации становится затруднительным.Рассмотрим некоторые ситуации, связанные с необнаружениемориентира, и стратегии управления СТЗ БЛА, которые могут использоватьсядля решения поставленных задач.Ориентир необнаруженОтсутствиеориентираОшибкиобнаруженияПродолжениепоиска в другихобластяхЗамена объекта поискадругими ориентирамиИзменениеусловийнаблюденияАнализситуацииИспользованиеальтернативного наборапризнаковРисунок 1.3. Стратегия управления БЛА при необнаружении ориентираПричинами необнаружения ориентира могут быть:отсутствие ориентира на наблюдаемой сцене;ошибки его обнаружения (пропуск цели).Для решения навигационных задач в каждой из указанных ситуациймогут применяться различные подходы.Так как в реальных условиях причина необнаружения ориентира неизвестна, то предлагается использовать следующий набор управлений:1.

Продолжение поиска с расширением (изменением) области поиска.2. Замена объекта поиска – переход к поиску других ориентиров.3. Поиск искомого ориентира с изменением условий наблюдения,например с изменением высоты полета или ракурса наблюдения.304. Поискискомогоориентираспомощьюнового(например,дополненного) рабочего словаря признаков (альтернативный наборпризнаков).Если указанные стратегии управлений не приводят к успешномурешению поставленной навигационной задачи, то предлагается перейти кстратегии навигации по малоинформативным ориентирам.Здесьпредполагается,чтообсуждаемыеранееориентиры-информативные (или достаточно информативные), т.е.

содержащаяся в нихполезная информация достаточна для решения поставленных навигационныхзадач.Выбор ориентиров для решения поставленных задач основывается наоценке его информативности, т.е. количестве полезной (с точки зрениярешаемой задачи) информации, содержащейся в данном ориентире.Для оценки информативности ориентиров и их признаков в работе заоснову принята мера информации по Шеннону [44]: = (|) = () − (|),где(1.14)(|) −количество информации, содержащейся в сообщении Y особытии X; () − энтропия события X; (|) − условная энтропия X приполучении сообщения Y.ЦКМ области полета разбивается на фрагменты (квадраты =(1 , 2 , … , , )).Размерквадратовзависит от требуемойточностиопределения положения и от размера информативных ориентиров.Положение БЛА определяется путем обнаружения на текущихизображенияхориентиров = (1 , 2 , … , , … , )сизвестнымикоординатами.Оценкаинформативностиориентировпозволяетучитыватьихуникальность, а также вероятность обнаружения ориентира и вероятностьпопадания БЛА в область, содержащую ориентир.31Необходимо отметить, что информативность ориентиров можетменяться со временем, изменением условий наблюдения и условий решенияпоставленных задач.Можно выделить следующие типы ориентиров:─информативные ≥ тр ,─малоинформативные0 < < тр ,─неинформативные = 0,где тр - требуемое значение информативности, обеспечивающее требуемуюточность определения положения.Автономный БЛА при полете без использования данных СНС можетоказаться в ситуациях, когда достаточно информативные ориентирыотсутствуют.Так, при полете к очередному ориентиру, в случае существенногонакопления ошибок ИНС, ожидаемый ориентир может оказаться вне областивидимости.

Также, когда по условиям решаемой задачи необходимо получитьнавигационные параметры, БЛА может оказаться в области, не содержащейинформативные ориентиры.Длярешениянеобходимопроблем,разработатьвозникающихметодынавигациивподобныхпоситуациях,малоинформативнымориентирам.В данной работе для повышения эффективности решения задачинавигации по малоинформативным ориентирам предлагается использоватьразноуровневые(иерархические)описаниянаблюдаемойсцены,формируемые с использованием процедуры анализа ситуаций [45].В контексте решаемой задачи под анализом ситуаций будем пониматьформированиеописаниятекущейсцены,включающееописаниеприсутствующих объектов интереса (ОИ), в частности малоинформативныхориентиров, и отношений между ними.

Подобные описания позволят32расширить круг решаемых задач автономных БЛА, повысить эффективностьнаблюдений в сложных, неопределенных и изменяемых условиях [39, 58].В общем случае использование различных описаний наблюдаемых сценобеспечивает их идентификацию на основе некоторых уникальных атрибутов.Например, при решении навигационных задач для описания наблюдаемыхсцен могут использоваться совокупности признаков малоинформативныхориентиров [56], каждый из которых не позволяет удовлетворительно решитьтребуемую навигационную задачу.Крометого,формированиеописаниймежобъектныхсвязей,существенных для решения поставленных целевых задач, является важнымшагом к пониманию наблюдаемых ситуаций.

Учет межобъектных связейпозволит использовать при решении целевых задач косвенные, контекстныепризнаки, поведенческие признаки объектов.Вероятность решения ЦЗ в таком случае примет следующий вид (сучетом условия (об ) = 1):(нав ) = 1 − ∏=1(1 − (нав |о )) ∗ (1 − (нав |отн )) ,(1.15)где (нав |о ) – вероятность определения положения с заданной точностьюпри обнаружении ориентира о , ∈ , N – количество малоинформатиныхориентиров на сцене; (нав |отн ) - вероятность определения положения сзаданной точностью при условии описания отношений между ориентирами.Очевидно,чтосувеличениемколичестванаблюдаемыхмалоинформативных ориентиров вероятность (нав ) будет расти.На рисунке 1.4 представлен предлагаемый алгоритм решения задачивизуальной навигации, способный функционировать как при наличииинформативных ориентиров, так и при их отсутствии.33ВходИнформативныйориентир3. Анализ сцены1.

ПоискориентираОриентиробнаруженМалоинформативныйориентир4. Формированиегипотез положениянет5. Выборинформативногонаправления полетада2. Оценкаположения6. Полет к новомуориентируВыходРисунок 1.4. Алгоритм визуальной навигацииИз рисунка 1.4 видно, что работа алгоритма включает 2 этапа – дляслучая информативных и малоинформативных ориентиров.Первый этап включает блоки 1 и 2, второй - блоки 3, 4 и 5.Блок 6 (полет к новому ориентиру) является общим для двух этапов.Если на этапе 1 ориентир обнаружен (блок 1), алгоритм продолжаетработу в режиме навигации (по информативным ориентирам) и оцениваеткоординаты БЛА по положению ориентира на текущем изображении (блок 2).Если ориентир не был обнаружен, алгоритм переходит к выполнениюблока 3 (этап 2) навигации по малоинформативным ориентирам.

Результатомвыполнения блока является описание наблюдаемой сцены (текущееописание), выполненное в некотором заранее определенном формате.34Далее полученные описания сравниваются с описаниями ЦКМ (блок 4)(подготовленными в том же формате). Реализация данной процедурысоответствует сопоставлению текущихиэталонных изображений вкорреляционных системах навигации.Во время сравнения определяются фрагменты ЦКМ с похожими (понекоторому критерию) описаниями. Выделенные (похожие) фрагментысоответствуют возможным положениям СТЗ БЛА или гипотезам положенияБЛА.Так как подобных фрагментов может быть больше одного, формируетсянабор гипотез и оцениваются возможные состояния (координаты) БЛА.После оценки возможного положения БЛА выполняется планированиедальнейшего полета с целью поиска очередного ориентира или болееинформативных участков и объектов (блок 5).Блок 6 обеспечивает реализацию полета к новому ориентиру (длярежима навигации по информативным ориентирам) или в информативномнаправлении (для режима навигации по малоинформативным ориентирам).РассмотримслучайнахожденияБЛАнадмалоинформативнымучастком (рисунок 1.5).

Пусть наблюдается некоторый фрагмент озера, накотором отсутствуют информативные ориентиры.351221134212Рисунок 1.5. Пример навигации по малоинформативным объектамБудем считать, что анализ принятого изображения и сопоставление сЦКМ позволили определить гипотезы положения БЛА: например, 1 , 2(рисунок 1.3). Изображение, подобное изображениям в прямоугольниках1 , 2 , является малоинформативным и не позволяет однозначно определитьположение БЛА. Однако на ЦКМ имеются более информативные объекты,например, дороги.Присутствие подобных ориентиров позволяет проложить нескольковариантов маршрутов: (A1→B1→C), (A2→B2→C), (A1→B3→C), (A2→B4→C),которые приведут к достаточно информативному ориентиру – пересечениюдорог (С).Таким образом, в ряде ситуаций поставленная задача получениятребуемых навигационных параметров может решена даже при условииполучения СН БЛА изображений малоинформативных ориентиров.Для решения задачи визуальной навигации на малоинформативныхучастках необходимо разработать:36 методику и алгоритм формирования описаний наблюдаемой сцены,обеспечивающих требуемую идентификацию объектов интереса, и ихсравнения с ЦКМ;методику и алгоритм выбора информативного направленияполета.372.ВИЗУАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ В ИЗМЕНЯЕМЫХ УСЛОВИЯХНАБЛЮДЕНИЯОсновой обзорно-сравнительного метода навигации или визуальнойнавигации является сопоставление текущего описания (ТО) принимаемогоизображения наблюдаемой сцены и запомненного заранее эталонногоописания (ЭО) ориентира.

Если на текущем изображении обнаруживаетсяописание объекта, соответствующее эталонному, тоданныйобъектпринимается за искомый ориентир.Зная направление на ориентир и дальность до него, определяетсяотносительное положение системы наблюдения (СН) БЛА и ориентира. Или,с учетом известных координат ориентира, определяется положение СН всоответствующей системе координат.Как было показано в главе 1, одной из проблем, затрудняющих процессвизуальной навигации, является изменение параметров описаний илинаблюдаемых признаков ориентиров (искомых объектов) при измененииусловий наблюдения.Измененные значения признаков ориентиров, наблюдаемых в текущихусловиях, могут существенно отличаться от эталонных признаков, что делаетневозможным их надежное сопоставление и, следовательно, затрудняетобнаружение ориентиров.В данной работе для уменьшения ошибок обнаружения предлагаетсяформировать адаптивные ЭО искомых объектов в соответствии с текущимиусловиями наблюдения.На рисунке 2.1 представлена блок-схема алгоритма оценки координатБЛА с помощью визуальной навигации при изменяемых текущих условияхнаблюдения.38ВходТекущие условияНетТекущиеизображенияНаличие ЭОДаФормированиетекущих описанийобъектов интересаБЗОценка критерияобнаруженияУсловиеобнаруженияЭталонные описанияобъектов интересаОбучениеФормированиеэталонных описанийНетДаРешениенавигационнойзадачиНавигация помалоинформативнымориентирамВыходРисунок 2.1.