Диссертация (1025035), страница 15

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 15)

Структура математической модели системы управления111На Рис. 4.1: x, y, z – координаты квадрокоптера; xd , yd , zd – координатызаданного маршрута;  , ,  – углы крена, рыскания, тангажа;  d , d , d –заданные углы крена, рыскания, тангажа; u1, u2 , u3 ,u 4 – управляющие сигналы отрегуляторов; U1,U 2 ,U3 ,U 4 – управляющие сигналы моторов; 1, 2 , 3 , 4 –скорость вращения винтов; wgx , wgy , wgz и wbx , wby , wbz– скорость ветра внеподвижной и связанной системах координат; M m , M p , M q – моменты моторов ивинтов; Pt1, Pt 2 , Pt 3 , Pt 4 – силы тяги винтов без учѐта экранного эффекта;Pg1, Pg 2 , Pg 3 , Pg 4 – силы тяги с учѐтом экранного эффекта.4.2.

Макетирование визуальной навигационной системыДля иллюстрации работоспособности предлагаемой ВНС на основеулучшенного алгоритма EKF-SLAM с адаптивным диапазоном наблюдения илокальной ассоциацией данных, в настоящей главе проведено макетирование ВНСв наружной среде.При макетировании ВНС камера сделала 1605 фотографий, расстояниедвижения составило около 820 метров. Движение начинается из начала координатнеподвижной системы координат, начальный радиус локальной карты 25 м,скорость движения около 0,3 м/с, минимальное число ориентиров для надежнойкоррекции прогнозируемого вектора состояния Num min  8 , максимальное числоориентиров для избегания чрезмерной избыточности коррекции Num max  50 ,максимальный радиус надежного наблюдения Rmax  35 м, шаг одноразовогоизменения радиуса локальной карты R  0,1 м.

На Рис. 4.2 (а) показаныхарактерные точки (зелѐные) и точки (красные), соответствующие характернымточкам предыдущего 582 кадра, которые являются ориентирами на текущем 583кадре. На Рис. 4.2 (б) показаны характерные точки (зелѐные) и точки (красные),соответствующие характерным точкам предыдущего 583 кадра, которые являютсяориентирами на текущем 584 кадре.

Рисунок 4.2 (в) показывает вычисленные112координаты ориентиров из 583 и 584 кадров изображения. Рисунок 4.2 (г)показывает траекторию движения камеры из чисто монокулярных данных.(а) предыдущий кадр изображения(б) следующий кадр изображения1016z,mz,m1814125100-10504002000 x,m0y,m 0x,my,m-500-5 -10(г) координаты ориентиров и траектория(в) координаты ориентиров вдвиженияв неподвижной системе координатсвязанной системе координатРис. 4.2. Результаты эксперимента навигации по только монокулярным данным 583и 584-го кадра изображения.Для проверки работоспособности предложенного алгоритма проведеносравнение времени вычисления ВНС на основе традиционного и улучшенноговремя вычисленияалгоритмов EKF-SLAM.10.500200400число кадров изображений(а) – ВНС на основе традиционного EKF-SLAM c постоянным диапазоном 25метров113время вычисления0.20.100200400число кадров изображений(б) – ВНС на основе улучшенного EKF-SLAMРис.

4.3. Измерение времени вычисленияРезультаты на Рис. 4.3 показывают, что время вычисления ВНС на основеEKF-SLAM c постоянным диапазоном увеличивается с увеличением времени, авремя вычисления ВНС на основе AR-EKF-SLAM c локальной ассоциациейданных поддерживается в небольшом приемлемом диапазоне.Для сравнения точности позиционирования традиционным и предлагаемымалгоритмами, на Рис. 4.4 показаны изменения ошибки определения положениякамеры в квадрате, которая имеет вид по координатам x в момент k :SE x, k  x k  xˆk 2(4.1)Ошибка по направлению xгде x k – реальные, а x̂ k – спрогнозированные координаты квадрокоптера.0.08Адаптивный RR=250.060.040.0200100200300400Номер кадров изображений500Рис.

4.4. Ошибка позиционирования по координате xКак видно из рисунка, ошибка между реальным и спрогнозированнымположением БПЛА алгоритма EKF-SLAM с постоянным диапазоном наблюдениядостигает значительных величин, а для предлагаемого алгоритма с адаптивнымдиапазоном наблюдения эта ошибка мала и соизмерима с ошибкой традиционногоалгоритма EKF-SLAM с большим диапазоном наблюдения, хотя и обеспечивается114при гораздо меньшем времени вычислений.Для проверки точности предложенного метода проведено сравнениетраектории, рассчитанной по данным монокулярной съѐмки, с информациейспутниковой (GPS) навигации.

Результаты показаны на Рис. 4.5 и 4.6.(б) следующий кадр изображения(а) предыдущий кадр изображения10z,mz,m25200-101001510100y,m0x,m(в) координаты ориентиров всвязанной системе координат-10-100y,m -100300-200200100 x,m0(г) координаты ориентиров и траекториядвижения в неподвижной системе координатРис. 4.5.

Результаты эксперимента навигации по только монокулярнымданным 1604 и 1605-го кадра изображения500y,m-50-100-150-200050100150x,m(а)200250300(б)Рис. 4.6. Сравнение результата: (а) – вычисленная траектория движения наплоскости OXY; (б) – истинная траектория движения на спутниковой картеСравнение результата эксперимента на Рис. 4.5 и 4.6 показывает, чтопредсказанная траектория движения с приемлемой точностью совпадает с115истинной траекторией движения на спутниковой карте. Это подтверждаетправильность алгоритма.4.3. Макетирование комплексной навигационной системыПеред применением КНС в системе управления полѐтом квадрокоптера былапроведена проверка работоспособности КНС с помощью макетирования.

Чтобыприблизить макетирование к реальным условиям, оно было реализовано внеизвестной наружной среде.4.3.1. Датчики и их основные характеристикиОсновные датчики и плата разработки программы, использованные в даннойработе: инерциальный измерительный блок BMI160 (включает трѐхосныйгироскоп и трѐхосный акселерометр); веб-камера SCB-1100N BA59-02898A длявизуальной навигационной системы; Bluetooth GPS-приемник, барометрическийвысотомер BMP085; радиовысотомер индикатор PN 104-0170-00; плата разработкипрограммы ArduinoBoard101 (показано на Рис. 4.7).(а)(г)(б)(в)(д)(е)Рис. 4.7.

Основные датчики и плата разработки программы116Основные характеристики датчиков:– электрические характеристики акселерометра: диапазон измерений – ±2 g;нулевое смещение – ±25 mg; нулевое смещение температурного дрейфа –±1.0 mg/K; ошибка выравнивания – ±0.5°; скорость передачи выходных данных –1600 Hz;– электрические характеристики гироскопа: диапазон измерений – ±2500/с;нулевое смещение – ±30/с; нулевое смещение температурного дрейфа – ±0.050/с/K;выходной шум – 0.07 0 sHz ; скорость передачи выходных данных – 3200Hz;– электрические характеристики GPS: точность –  10m ; высота над уровнемморя –  18000m ;скорость –  515m / c ; скорость передачи выходных данных –10Hz;– внутренние параметры веб-камеры, полученные с помощью инструмента«Калибровка» (набор инструментов для Matlab, написанный в Калифорнийскомполитехническом университете доктором Bouquet): Фокусное расстояние: fc =[ 1015.78212[ 320.037041012.65800 ] ±[ 7.15609240.40334 ] ± [ 3.416907.22421 ]; Центральная точка:cc =4.77241 ]; Искажение: kc = [ 0.09333-0.05262 -0.01156 -0.00424 0.00000 ] ±[ 0.02113 0.11162 0.00246 0.002490.00000 ];– электрические характеристики барометрического высотомера: диапазонизмерений – 300 ~ 1100hPa (  9000 ~ 500m ); выходной шум – 0.01hPa ( 0.1m );разрешение выходных данных – 0.01hPa ( 0.1m ); точность абсолютного давления –±1 hPa; точность относительного давления – ±0.2 hPa;– электрическиехарактеристикирадиовысотомера:диапазонизмерений – 2500feet ( 762m ); точность высоты – ± 2% ~ 5% ; разрешениеобнаружения угла 0.250 ; скорость передачи выходных данных – 4300 Hz;4.3.2.

Разработка интерфейса навигационной информации117В нашей работе был разработан интерфейс пользователя с помощьюинструментария MATLAB GUI, который может быть применен для наблюдения заполетом БПЛА и работой датчиков на наземной станции в режиме реальноговремени, как показано на Рис. 4.8.Рис.

4.8. Интерфейс информации КНСНарис.4.9показанприборныйсоставмакетадляотработкинавигационной информации.Рис. 4.9 Приборный состав макета для отработки навигационной информации118Проведена обработка нескольких источников навигационной информации иотображение результатов навигации в компьютере с помощью MATLAB иинтегрированных навигационных алгоритмов.Рисунок 4.8 показывает информацию КНС во внешней среде в режименавигации БИНС/GPS/SLAM/BA/RA. В области визуальной навигационнойсистемы SLAM показывает результаты навигации 487-го и 488-го кадровизображения, характерные точки (зелѐные) двух изображений, ориентиры(красные) двух изображений, трѐхмерные координаты ориентиров в системыкоординат камеры и траекторию движения в земной системе координат.

В областиКНС показывает траекторию движения на спутниковой карте (красная линия),полученную из КНС.На Рис. 4.10 показаны выходы датчиков.долгота GPS/SLAM55.66837.782долгота37.78455.667LG55.6660100200300время,с40037.7837.778λG37.776LA55.66550037.774λA0100200300время,с400500высота над уровнем моря150140высота,мшироташиротаGPS/SLAM55.669130HG120HA110HRHB050100150200250время,с300350400450500119направление скорости GPS24001.5300градусскорости,m/cзначение скорости GPS12000.501000100200300время,с40005000100200300время,сскорости GPSVGEVGN1VGU0-1-20100200300время,с400500500VANVAU0-1-20100угловая скорость гироскопа200300время,сускорение акселерометра2g(9.80665 m/s2)wxwywz50o/c400VAE11000-50-100500скорости SLAM2скорости,m/cскорости,m/c24000100200300время,с400500axayaz1.510.50-0.50100200300время,с400500Рис.

4.10. Выходы датчиковИсходная навигационная информация датчиков показывает:1. Предсказанные изменения широты и долготы визуальной навигационнойсистемывосновномсовпадаютсизмереннымиданнымиспутниковойнавигационной системы GPS, хотя есть небольшая разница. Это ещѐ раздоказывает целесообразность применения визуальной навигационной системы.2. По сравнению с другими показаниями, кривая изменения измереннойвысоты над уровнем моря от СНС имеет значительно большие изменениявеличины и ошибки.3.

Кроме того, СНС может определить величину и направление скоростиподвижных объектов только в горизонтальной плоскости, но не может определитьскорость в вертикальном направлении – возможно лишь приблизительно120вычислить изменения скорости в данном направлении в зависимости отизменения высоты, что даѐт большие ошибки.4.

Поэтому в целях повышения точности навигации необходимо использоватьдополнительные датчики и навигационные системы – в частности, как в даннойработе, визуальную навигационную систему, барометрический высотомер ирадиовысотомер.На Рис. 4.11 показаны ошибки выходов датчиков, выходы фильтра Калмана итраектория движения на горизонтальной плоскости.-4ошибки широты GPS/SLAM LG5 LA0-5-3x 10 ошибки долгота GPS/SLAM1 LG lamda/( ) L/( )10x 10 LA0 HA HB v E , m/s2000-200 v NG-0.5-1-1 v NA0100200t/s300400 v EG v EA300400500t/sошибки скорости направления на вверх1200400600время,сошибки скорости направления на север00-0.5 HR0.5 v N , m/s100 v U , m/s H,м-13004005000100200300400500t/st/sошибки высоты над уровнем моряошибки скорости направления на восток200.5 HG050000-1100200 v UG v UA0100200t/s300400500121ошиб ки углов ориентации00100EN200300t /s4002001000500ошиб ки определения скоростиV U200300t /s400 / (/h)0.08yz0200300t /s400500500 PN PU0100200300t /s400200300t /s400500погрешности акселерометровx5000100400ошиб ка местоположения1000x200300t /s2500погрешности гироскопов0.10.06100100 PE00 / ug0P/m V / m/sV N204V E4ошиб кa углa ориентации300U / 200E,N/400yz0100500Траектория движения350Cевер(North)/m300250200150100500-150-100-500восток(East)/m50100150Рис.

Характеристики

Список файлов диссертации