Модели и алгоритмы управления приводами бортовых оптико-механических систем автосопровождения объектов

Актуальность работы.

Одной из характерных черт современности является интенсивное применение новейших научных разработок при создании сложных информационно-управляющих комплексов. Безусловно, эта тенденция присутствует и при разработке алгоритмов управления приводами бортовых оптико-механических систем, решающих задачу автоматического сопровождения объектов по данным видеонаблюдений. При этом возникают новые возможности формирования управления приводами бортовых оптико-механических систем автосопровождения, ведущие к улучшению точностных характеристик систем видеосопровождения объектов.

Наиболее широкое распространение системы видеосопровождения получили при решении таких задач как навигация, круглосуточное пилотирование летательных аппаратов, поиск, обнаружение и сопровождение наземных, надводных, воздушных подвижных и неподвижных объектов, оценка состояния техногенных объектов, мониторинг дорожной обстановки и массовых мероприятий.

Одним из направлений при создании высокоточных систем видеосопровождения является разработка моделей и эффективных алгоритмов управления приводами бортовых комплексов оптико-механических систем, предназначенных для установки на воздушном, надводном и наземном транспорте. Одной из основных задач систем видеосопровождения является непрерывное совмещение оптической оси оптико-электронного прибора (видеодатчика), установленного на опорно-поворотной платформе (в карданном подвесе) оптико-механической системы, с направлением на объект, наблюдаемый на формируемом видеодатчиком изображении. Характерной чертой систем видеосопровождения, устанавливаемых на подвижном носителе, является необходимость обеспечения высокой точности сопровождения объектов в автоматическом режиме в условиях больших угловых скоростей и ускорений изменения направления на объект.

Наиболее значимыми факторами, влияющими на точность автоматического сопровождения объекта, помимо алгоритма управления приводами кардана, являются частота формирования видеокадров, величина запаздывания в контуре управления, угловые скорость и ускорение изменения направления на объект, длительность возможного пропадания информации о положении объекта на изображении.

В системах видеосопровождения объектов используются различные способы повышения точности. В частности, применяются управляемые гиростабилизированные платформы для уменьшения влияния качки носителя, корректирующие звенья, статистическое прогнозирование в случае кратковременного пропадания информации о положении объекта на изображении. Вместе с тем, проблема повышения точности автосопровождения в условиях высокой динамики изменения углового направления на объект и при использовании специальных вычислительных средств для обработки изображений и формирования управления приводами опорно-поворотной платформы до сих пор остается актуальной.

Таким образом, существует практическая задача повышения точности сопровождения объектов посредством разработки эффективных алгоритмов управления приводами бортовых оптико-механических систем автосопровождения объектов.

Степень разработанности темы.

Вопросам повышения точности систем видеосопровождения объектов уделено значительное внимание в отечественных и зарубежных источниках. Существенный вклад в разработку алгоритмов управления приводами оптико-механических систем внесли такие ученые как Бесекерский В. А., Ривкин С. С., Чемоданов Б. К., Турецкий X. и др. Однако, несмотря на большое количество работ по данной тематике, в результате проведённого анализа не выявлено публикаций, содержащих в полной мере анализ и решение задачи повышения точности сопровождения в условиях высоких угловых скоростей и ускорений изменения направления на объект, значительного запаздывания в контуре управления и недостаточной для ряда случаев стандартной частоты формирования видеоизображений.

Цель диссертационной работы заключается в разработке моделей и алгоритмов управления приводами оптико-механической системы, позволяющих повысить точность сопровождения в условиях высокой динамики изменения углового направления на объект, в том числе и при кратковременном пропадании информации о положении объекта на изображении. Для достижения поставленной цели требуется решение следующих основных задач:

— разработка математических моделей, определяющих связь координат объекта на изображении с требуемыми углами поворота рамок кардана для совмещения оптической оси видеодатчика с направлением на объект;

— разработка алгоритмов управления приводами двухи трехосных карданов оптико-механических систем, позволяющих повысить точность сопровождения объектов в условиях высокой динамики изменения углового направления на объект;

— разработка алгоритмов формирования управления приводами систем видеосопровождения при кратковременном пропадании информации о положении объекта на изображении;

— разработка эффективных структур систем видеосопровождения;

— исследование разработанных моделей и алгоритмов.

Методы исследования.

Теоретические исследования в настоящей работе выполнены на основе методов теории автоматического управления, теории вероятностей, статистического прогнозирования, планетарной геометрии и тригонометрии.

Имитационное моделирование выполнялось с использованием пакетов Simulink, Signal Processing Blockset, Virtual Reality Toolbox и Video and Image Processing Blockset системы MATLAB.

Экспериментальные исследования выполнялись с использованием промышленного образца опорно-поворотной платформы.

Научная новизна.

Задача автосопровождения объекта по данным видеонаблюдений решена с учетом таких факторов как частота формирования видеокадров, запаздывание в контуре управления, качка носителя, кратковременное пропадание информации о положении объекта на изображении. Результаты разработки моделей и алгоритмов управления приводами системы видеосопровождения содержат следующие элементы научной новизны:

— математические модели, определяющие связь координат объекта на изображении с требуемыми углами поворота рамок кардана, для совмещения оптической оси видеодатчика с направлением на сопровождаемый объект;

— алгоритм управления приводами системы видеосопровождения объектов с двухосным карданным подвесом, осуществляющий компенсацию запаздывания и повышение частоты дискретизации управляющих воздействий в контурах отработки требуемых углов поворота рамок кардана в условиях отсутствия или наличия информации о качке носителя;

— алгоритм управления приводами системы видеосопровождения с трехосным карданным подвесом, осуществляющий при наличии информации о качке носителя стабилизацию изображения, компенсацию запаздывания и расширение полосы пропускания контуров отработки требуемых углов поворота рамок кардана;

— алгоритм управления приводами оптико-механической системы при кратковременном пропадании информации о положении объекта на изображении.

Эффективность разработанных алгоритмов получила экспериментальное подтверждение.

Практическая ценность.

Работа направлена на решение задач, имеющих непосредственное практическое значение. Использование разработанных моделей и алгоритмов формирования управления приводами оптико-механической системы позволяет значительно повысить точность сопровождения объекта при высокой динамике изменения направления на объект. В частности при изменении углового направления со скоростью до 10 угл. град./с и ускорением до 100 угл. град./с2, частоте формирования видеокадров 25 Гц, запаздывании 0,01 с в контуре управления ошибка сопровождения при применении разработанных алгоритмов как минимум в 4 раза меньше по сравнению со стандартным одноконтурным вариантом построения системы видеосопровождения.

Разработанные модели и алгоритмы управления приводами кардана могут использоваться для построения систем наблюдения, систем видеосопровождения при высокой динамике изменения направления на объект, значительном запаздывании в контуре управления, невысокой частоте формирования видеокадров.

Достоверность.

Достоверность результатов и выводов диссертации подтверждается корректным использованием математического аппарата, результатами моделирования и экспериментальными исследованиями.

Реализация и внедрение.

Полученные теоретические и практические результаты использованы при проведении научно-исследовательских работ, проводимых в ГОУВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» по заказам Федерального агентства по образованию (НИР 6-ОЗГ, 26-ОЗГ) и ФГУП «Государственный рязанский приборный завод» (НИР 1−03, 1−04, 44−04, 7−05), что подтверждается актами внедрения.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:

— 12-й, 13-й, 14-й международных научно-технических конференциях «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (Рязань — 2004, 2005);

— 7-й международной научно-технической конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применения» (Москва — 2005);

— научно-практическом семинаре, посвященном 60-летию победы в ВОВ, «Сети и системы связи» (Рязань — 2005);

— 4-й международной конференции «Телевидение: передача и обработка изображений» (Санкт — Петербург — 2005);

— 11-й всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании» (Рязань — 2006);

— научно-практической конференции «Хранить традиции. Готовить профессионалов. Растить патриотов» (Рязань — 2006);

— 7-й международной научно-технической конференции «Кибернетика и высоки технологии XXI века С&Т*2006» (Воронеж — 2006).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 4 статьи и 9 тезисов докладов. Результаты исследований отражены в 6 отчётах о НИР.

Личиый вклад.

Используемые в диссертации математические модели, определяющие связи координат объекта на изображении с требуемыми углами поворота рамок кардана, алгоритмы управления приводами двухи трехосных карданных подвесов систем видеосопровождения при наличии или отсутствии информации о качке носителя, а также кратковременном пропадании информации о положении объекта на изображении разработаны лично диссертантом.

Основные результаты, выносимые на защиту:

— математические модели, определяющие связь координат объекта на изображении с требуемыми углами поворота рамок кардана для совмещения оптической оси видеодатчика с направлением на сопровождаемый объект;

— алгоритм управления приводами системы видеосопровождения объектов с двухосным карданным подвесом, осуществляющий компенсацию запаздывания и повышение частоты дискретизации управляющих воздействий в контурах отработки требуемых углов поворота рамок кардана в условиях отсутствия или наличия информации о качке носителя;

— алгоритм управления приводами системы видеосопровождения с трехосным карданным подвесом, осуществляющий при наличии информации о качке носителя стабилизацию изображения, компенсацию запаздывания и расширение полосы пропускания контуров отработки требуемых углов поворота рамок кардана;

— алгоритм управления приводами оптико-механической системы при кратковременном пропадании информации о положении объекта на изображении.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (80 источников), приложения, изложенных на 168 страницах, содержит 60 рисунков и 7 таблиц.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Проведен обзор и анализ существующих структур и алгоритмов управления приводами оптико-механических систем автоматического сопровождения объектов по данным видеонаблюдений. Выявлены основные факторы, влияющие на точность сопровождения. Ими являются динамика изменения направления на объект относительно носителя СВС, частота формирования видеокадров, величина запаздывания в контуре управления, разрешение и ширина поля зрения ВД, а также время нахождения системы в инерциальном режиме;

2. Разработаны математические модели и алгоритмы управления приводами СВС с двухосным карданным подвесом, позволяющие компенсировать запаздывание в контуре управления и повысить частоту дискретизации задающих воздействий следящих контуров отработки требуемых углов поворота рамок кардана;

3. Разработаны математические модели и алгоритмы управления приводами СВС с трехосным карданным подвесом, учитывающие информацию о качке и маневрах носителя. Прогнозирование угловых координат объекта производится в неподвижно ориентированной СК, что позволяет повысить точность сопровождения объектов;

4. Разработан алгоритм управления приводами карданного подвеса оптико-механических систем автосопровождения при кратковременном пропадании информации о положении объекта в последовательности видеокадров;

5. Проведенное моделирование подтверждает эффективность разработанных алгоритмов управления приводами оптико-механических систем автоматического сопровождения объектов по данным видеонаблюдений с двух-и трехосными карданами как при наличии, так и при отсутствии информации о положении объекта на изображении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа посвящена разработке, исследованию моделей и алгоритмов управления приводами бортовых оптико-механических систем автосопровождения объектов по данным видеонаблюдений. Особенностями решаемой задачи являются большие угловые скорости и ускорения изменения направления на объект, возможность кратковременного пропадания информации о положении объекта на изображении, невысокая частота формирования видеокадров, значительное запаздывание в контуре управления и требуемая высокая точность сопровождения.