Программно-алгоритмическое обеспечение приборного комплекса беспилотного летательного аппарата для определения навигационных параметров на базе фотоизображения

Актуальность исследования. Беспилотная авиация — одно из самых перспективных направлений в авиации на сегодняшний день. Согласно оценке аналитической компании Teal Group, в период с 2011 по 2020 год, объем рынка беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) вырастет с 5,9 до 15,1 миллиардов долларов США [84]. Маркетинговое агентство Frost&Sullivan прогнозирует рост доходов глобального рынка БПЛА с 2,8 миллиардов долларов США в 2005 году до 5,5 миллиардов долларов США в 2016 году [89, 59], что является самым высоким показателем среди сегментов мировой авиакосмической отрасли.

На сегодняшний день не существует единой системы классификации БПЛА в рамках ИКАО. Наибольшее распространение в публикациях получила классификация, разработанная компанией UVS International, ведущей международной ассоциации беспилотных систем. Согласно данной классификации, приведенной в таблице В.1, тип БПЛА, как гражданского, так и военного применения, определяется четырьмя основными характеристиками — взлётной массой (тюл), радиусом действия ®, максимальной высоты крейсерского полета (Якр) и максимальной продолжительностью полёта (Ттах) [86].

Исследование структуры рынка [86] БПЛА показывает, что наиболее востребованными аппаратами для гражданского применения в настоящее время являются моторные БПЛА средней дальности (класс MR) самолетного типа, что связано с более привлекательным, по сравнению с другими классами, соотношением цены и функциональных возможностей.

Можно выделить следующие основные требования к таким БПЛА, отличающие их от БПЛА других классов:

— пониженная, по сравнению с БПЛА более высоких классов, стоимость эксплуатации (ключевой фактор при принятии в эксплуатацию подобных аппаратов для гражданского применения, например, в геологоразведке,.

Таблица В.1 Классификация современных БПЛА. .

Класс Классификационные признаки т1 13Л5 КГ В., км Яко, км Ттах" Ч.

Микро-БПЛА до 5 до 10 0,25 1.

Мини-БПЛА до 150 до 10 до 0,3 до 2.

БПЛА ближнего применения 25. 150 10. 30 3 2. 4.

БПЛА малой дальности 50. 250 30. 70 3 3. 6.

БПЛА средней дальности 150. 500 70. 200 5 6. 10.

БПЛА средней дальности и большой продолжительности 500. 1500 свыше 500 8 10 .18.

Маловысотные БПЛА «глубокого проникновения» 250. 2500 свыше 250 0,05. 9 0,5. 1.

Маловысотные БПЛА большой продолжительности полёта 15. 25 свыше 500 3 свыше 24.

Средневысотные БПЛА большой продолжительности полёта 1000 .: 1500 свыше 500 5. 8 24. 48.

Высотные БПЛА «глубокого проникновения» 2500. 5000 свыше 2000 23. 27 24. 48.

Высотные БПЛА большой продолжительности полёта 2500. 5000 свыше 2000 20 24. 48.

Стратосферные БПЛА свыше 2500 свыше 2000 свыше 20 свыше 48.

Экзосферные БПЛА н/о н/о свыше 30 н/о.

Боевые БПЛА 500. 1000 1500 12 2.

Поражающие БПЛА н/о 300 4 3. 4.

Ложные цели и мишени 150. 500 0.500 0,05. 5 до 4 в поисково-спасательных операциях, в обеспечении безопасности на дорогах, в различных задачах в сфере поиска труднодоступных аварийных участков нефтеи газопроводов, линий электропередач);

— снижение требований к подготовке оператора БПЛА (минимальное время обучения оператора, отсутствие требований на предварительную специальную подготовку);

— мобильность и короткое время развертывания наземной части комплекса (БПЛА средней дальности, в зависимости от веса, могут перевозиться на легковом автомобиле, рабочее место оператора и необходимое наземное оборудование, как правило, размещено на этом же автомобиле);

— модульная архитектура оборудования, входящего в полезную нагрузку (универсальность решаемых задач достигается возможностью варьировать набор полезной нагрузки на типовом носителе);

— повышенная автономность в штатном режиме работы (на сегодняшний день такие комплексы выполняют в основном повторяющиеся задачи, предварительно спланированные на земле: облет некоторой территории, пролет по заданному маршруту, автоматический поиск целипрослеживается потребность в автоматическом выполнении поставленных задач и максимальном исключении необходимости работы оператора);

— всепогодность, круглосуточность и возможность взлета и посадки с неподготовленных площадок (такие комплексы могут быть эффективны только в случае возможности их применения при различных метео-и климатических условиях, так как поставленные задачи имеют ежедневный и круглосуточный характер).

Для обеспечения выполнения описанных требований бортовое оборудование такого класса БПЛА должно включать развитый пилотажно-навигационный комплекс (ПНК), формирующий пилотажно-навигационные данные для системы управления. К таким данным предъявляются повышенные требования по точности, доступности, целостности и непрерывности для обеспечения безопасного полета и успешного выполнения полётного задания [66].

Кроме того, к аппаратному обеспечению ПНК БПЛА средней дальности, предъявляются повышенные, по сравнению с БПЛА более высоких классов, требования по массогабаритным характеристикам, энергопотреблению и конечной стоимости. Это связано с конструктивными ограничениями на размещение аппаратуры ПНК, мощности бортовой электросети, а также с экономической целесообразностью использования аппаратуры на БПЛА этого класса.

Выполнение указанных требований обусловливает использование в ПНК БПЛА среднего класса недорогих и малогабаритных систем и датчиков первичной информации, что приводит к необходимости использования математического аппарата обработки первичных данных, позволяющего достичь заданных характеристик выходных параметров.

Повышение точности выходных параметров на различных режимах полёта — не до конца решённая на сегодня задача. Расширение области применения БПЛА среднего класса предполагает не только повышение точности, но и степени автоматизации управления в различных режимах работы (взлёт, полёт по маршруту, облёт препятствий, заход на посадку и посадка) [37]. Наиболее сложным режимом является режим посадки, связанный с необходимостью одновременной оценки оператором множества факторов, влияющих на безопасное снижение и приземление БПЛА на заданном участке в реальном масштабе времени. Возможность выполнения автоматической посадки БПЛА в значительной степени зависит от точности определения пилотажно-навигационных параметров.

Таким образом, повышение точности определения пилотажно-навигационных параметров моторного БПЛА средней дальности на этапе посадки является востребованной на практике актуальной задачей, имеющей большое значение для расширения возможностей и области применения аппаратов этого типа.

Объект исследования. Пилотажно-навигационный комплекс моторного БПЛА средней дальности самолетного типа для применения в гражданской сфере (далее в тексте БПЛА).

Предмет исследования. Система определения параметров ориентации и навигации на этапе посадки БПЛА на базе фотограмметрической обработки изображения искусственных наземных ориентиров, получаемых с бортовой камеры, как дополнительный канал ПНК, позволяющий улучшить его характеристики.

Цель исследования. Повышение точности определения параметров ориентации и навигации БПЛА на базе фотограмметрической обработки изображения искусственных наземных ориентиров для обеспечения автоматической посадки.

Для достижения поставленной в диссертационной работе цели решены следующие научно-технические задачи:

— на базе системного подхода сформированы требования к системе определения параметров ориентации и навигации БПЛА на базе фотограмметрической обработки изображения искусственных наземных ориентиров для обеспечения автоматической посадки и обосновано её включение в состав и структуру ПНК БПЛА для обеспечения автоматической посадки;

— разработан алгоритм определения параметров ориентации и навигации БПЛА на этапе посадки, позволяющий повысить точность определения этих параметров;

— построена математическая модель измерений системы определения параметров ориентации и навигации БПЛА на базе фотограмметрической обработки изображения наземных ориентиров для цифрового изображения и исследовано влияние возмущающих факторов на точность их определения;

— разработана методика поиска рабочих областей системы определения параметров ориентации и навигации БПЛА на базе фотограмметрической обработки изображения искусственных наземных ориентиров;

— разработано программное обеспечение, реализующее созданное математическое обеспечение определения параметров ориентации и навигации БПЛА на базе фотограмметрической обработки изображения искусственных наземных ориентиров;

— проведено имитационное и полунатурное моделирование на базе разработанного программно-алгоритмического обеспечения.

Методы исследования. Диссертационная работа выполнена с использованием методов системного анализа, обработки информации, определения параметров' ориентации и навигации, численных методов математического анализа и компьютерного моделирования.

Экспериментальные исследования проводились с использованием пакета.

МАТЪАВ и разработанного полунатурного стенда.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

— разработана математическая модель цифрового фотоизображения трех наземных ориентиров с известными координатами в связанной системе координат, формируемого бортовой камерой БПЛАмодель позволяет с достаточной точностью определять на этапе посадки параметры ориентации и навигации БПЛА относительно этой системы координат;

— разработан алгоритм определения параметров ориентации и навигации БПЛА на этапе посадки на основе цифрового фотоизображения трех наземных ориентиров, базирующийся на новом способе определения местоположения и углов ориентации летательного аппарата относительно взлётно-посадочной полосы и численном методе Ньютона для решения системы нелинейных уравненийалгоритм позволяет определить эти параметры с требуемой точностью;

— разработана методика поиска рабочих областей системы определения параметров ориентации и навигации БПЛА на базе фотограмметрической обработки изображения искусственных наземных ориентиров, с использованием созданного программно-алгоритмического обеспечения.

Научные результаты, выносимые на защиту:

— математическое обеспечение (разработанные модель и алгоритм), позволяющие определять параметры ориентации и навигации БПЛА на этапе посадки с требуемой точностью, а именно: по результатам математического и полунатурного моделирования оценка параметров ориентации относительно местной системы координат составила не более:

• 2 м по боковому смещению;

• 2 м по удалению;

• 1,5 м по высоте;

• 1,5 градуса по углу тангажа;

• 1,5 градуса по углу курса;

• 1,5 градуса по углу крена.

— методика поиска рабочих областей системы определения параметров ориентации и навигации БПЛА, подтверждающая работоспособность разработанного математического обеспечения в требуемых областях на этапе посадки;

— результаты моделирования и полунатурных экспериментов, подтвердившие достоверность полученных в работе результатов.

Практическая значимость результатов работы состоит в:

— создании программного обеспечения для моделирования работы системы определения параметров ориентации и навигации БПЛА на базе фотограмметрической обработки изображения искусственных наземных ориентиров в среде математического моделирования и программирования МАТЬАВ;

— применении разработанного программно-алгоритмического обеспечения для определения параметров ориентации и навигации БПЛА на этапе посадки с требуемой точностью.

Внедрение результатов. Результаты диссертации использованы при разработке перспективного пилотажно-навигационного комплекса БПЛА «Дозор-100», разрабатываемого ЗАО «Транзас Авиация», и проведении учебного процесса на кафедре «Приборы и измерительно-вычислительные комплексы ФГБОУ ВПО «Московский Авиационный Институт (национальный технический университет)», что подтверждается соответствующими актами внедрения.

В первой главе в качестве объекта исследований выбран пилотажно-навигационный комплекс моторного БПЛА средней дальности самолетного типа для применения в гражданской сфере. На базе системного анализа сформированы требования к системе определения параметров ориентации и навигации на этапе посадки, использующей фотоизображение наземных ориентиров, как к дополнительному каналу пилотажно-навигационного комплекса. В качестве базового метода для разработки алгоритма функционирования этого канала выбран новый способ определения местоположения и углов ориентации летательного аппарата и поставлена задача определения параметров ориентации и навигации БПЛА на этапе посадки с использованием фотоизображения.

Во второй главе разработано математическое обеспечение определения параметров ориентации и навигации на базе фотограмметрической обработки изображения. Обоснована структурная схема системы определения параметров ориентации и навигации как канала ПНК БПЛА. Разработана модель измерений системы определения параметров ориентации и навигации БПЛА на этапе посадки, представляющая собой вектор-функцию, состав элементов которой изменен по сравнению с использованным способом определения местоположения и углов ориентации летательного аппарата с целью обеспечения сходимости алгоритма вычисления этих параметров.

Разработан алгоритм, реализующий итерационный процесс поиска параметров ориентации и навигации БПЛА на этапе посадки на основе цифрового фотоизображения трех наземных ориентиров, базирующийся на новом способе определения местоположения и углов ориентации летательного аппарата относительно взлётно-посадочной полосы и численном методе Ньютона для решения системы нелинейных уравнений. Алгоритм позволяет определить эти параметры с требуемой точностью.

В третьей главе разработано программное обеспечение в среде МАТЪАВ, реализующее созданное в диссертации математическое обеспечение решаемой задачи. Оно имеет модульную структуру и позволяет проанализировать и обосновать полученные в работе результаты. Это обеспечение вначале протестировано на серии контрольных примеров (87 экспериментов), которыеподтвердили его работоспособность, а затем проведено моделирование (также включающее 87 экспериментов), подтвердившее достижение требуемых точностей разработанного программно-алгоритмического обеспечения на заключительной части этапа посадки.

В четвёртой главе разработан стенд полунатурного моделирования для испытания системы на этапе посадки, включающий имитацию трёх цветных ориентиров, подвижное основание и модуль восприятия оптического сигнала. Полученные в ходе экспериментов снимки обрабатывались с помощью созданного программного обеспечения. Для автоматизации процесса обработки изображения, а именно, для выявления на снимках центров ориентиров (в форме искажённых окружностей) разработан алгоритм распознавания объектов по цветовому признаку и определения их центров. Алгоритм базируется на преобразовании Хафа и позволяет определить центр ориентира с точностью, достаточной для работы алгоритма определения параметров ориентации и навигации.

Проведен анализ точности разработанной системы с учётом основных погрешностей, а именно:

— неточности привязки характерной точки объекта к наземной системе координат;

— геометрических искажений наблюдаемого объекта;

— погрешности метода определения характерной точки на изображении объекта;

— случайные погрешности определения координат главной точки изображения, вызванной смещением оптической оси от центра матрицы в результате вибраций, технологической погрешности установки и неидеальности оптической системы.

Полученные экспериментальные данные подтвердили возможность повышения точности определения параметров ориентации и навигации за счёт использования фотоизображения наземных ориентиров на завершающем этапе полёта. Проведенные эксперименты также подтвердили достаточную точность разработанного алгоритма.

В заключении диссертации изложены основные результаты и выводы работы.

выводы и результаты.

1. Поставлена и решена задача определения параметров ориентации и навигации моторного БПЛА самолётного типа средней дальности на этапе посадки с использованием фотоизображения, что позволило обеспечить повышение точности определения этих параметров на конечном участке этапа автоматической посадки. Требования к точности определены на базе системного анализа требований ИКАО к оборудованию воздушных судов, структуры и состава ПНК таких БПЛА и требований к их лётно-техническим характеристикам.

2. Обоснована структурная схема системы фотограмметрического определения параметров ориентации и навигации БПЛА на этапе посадки, как дополнительного канала ПНК, включающая три части: наземную (в виде трёх ориентиров), приёмно-измерительную (базирующуюся на оптической системе, входящей в состав бортового оборудования) и вычислительную (включающую разработанный алгоритм).

3. Разработана математическая модель, регистрируемого бортовой камерой БПЛА на этапе посадки цифрового изображения, которая использована для анализа пороговой чувствительности системы к смещению центра ориентира.

4. Разработан алгоритм вычисления параметров ориентации и навигации БПЛА, базирующийся на модификации способа определения местоположения и углов ориентации летательного аппарата и численного метода Ньютона для решения систем нелинейных уравнений. Алгоритм позволяет повысить точность определения этих параметров.

5. Разработанное математическое обеспечение реализовано в виде программного обеспечения в среде МАТЪАВ, которое имеет модульную структуру и включает три основных модуля: модуль формирования исходных данных, модуль вычисления координат наблюдаемых точек на цифровом снимке и формирования изображения и модуль вычисления параметров ориентации и навигации.

6. Проведено тестирование и моделирование созданного программного обеспечения (каждое по 87 экспериментов) с учётом погрешности реального оптического входного сигнала. Эксперименты подтвердили работоспособность созданного программно-алгоритмического обеспечения и соответствия его сформулированным требованиям по точности.

7. Разработан стенд полу натурного моделирования для испытаний системы определения параметров ориентации и навигации БПЛА на этапе посадки, включающий имитацию трёх цветных ориентиров, подвижное основание и модуль их восприятия. Для распознавания ориентиров на цифровом снимке при проведении полунатурного эксперимента и определения для этого характерной точки их изображения (центра искажённой окружности) разработан алгоритм, базирующийся на преобразовании Хафа и позволяющий определить центр ориентира с точностью достаточной для работы созданного алгоритма определения параметров ориентации и навигации. Проведено экспериментальное исследование точности работы созданного алгоритма с учётом имитации на полунатурном стенде трёх типов погрешностей (погрешности привязки центров ориентиров к местной системе координат, погрешности определения внутренних элементов снимка и случайной погрешности геометрического искажения наблюдаемых объектов).

8. Проведенные эксперименты подтвердили, что достигается требуемая точность по определению параметров ориентации и навигации с помощью разработанного алгоритма и при учёте всех рассмотренных погрешностей, а именно: 2 м по боковому смещению (на удалении 250 м и высоте 25 м), 2 м по удалению (на удалении 50 м и высоте 5 м), 1,5 м по высоте (на удалении 150 м и высоте 15 м), 1,5° по углу тангажа (на удалении 850 м и высоте 85 м), 1,5° по углу крена (на удалении 750 м и высоте 75 м) и 1,5° по углу тангажа (на удалении 100 м и высоте 10 м).

9. Результаты диссертации использованы при разработке перспективного пилотажно-навигационного комплекса моторного БПЛА самолётного типа средней дальности «Дозор-100», разрабатываемого ЗАО «Транзас Авиация», и проведении учебного процесса на кафедре «Приборы и измерительно-вычислительные комплексы ФГБОУ ВПО «Московский Авиационный Институт (национальный технический университет)», что подтверждается соответствующими актами внедрения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе проведенных исследований получены следующие основные.