Катадиоптрическая система ориентации беспилотного летательного аппарата

В настоящее время в России, как и за рубежом, активно развивается разработка малоразмерных беспилотных летательных аппаратов (МБПЛА) для военных и гражданских целей.

Перед своими «большими собратьями» у них есть ряд преимуществ, среди которых можно выделить малый взлетный вес, небольшие габариты, малая визуальная и радиозаметность (актуально для военных целей), более низкую стоимость и т. д. Главным достоинством МБПЛА можно считать независимость от взлётных полос. Такие БПЛА запускаются с руки (изредка с катапульты), садятся на неподготовленную поверхность (в снег или траву) или даже захватываются оператором при пролете на низкой высоте с небольшой скоростью. В разобранном виде могут переноситься в рюкзаках парой или даже одним человеком.

МБПЛА очень популярны в гражданской сфере, где эксплуатация больших БПЛА сопровождается проблемами аэродромного базирования, финансовыми затратами и юридическими неудобствами. За рубежом МБПЛА используются для охраны сельхозугодий, картографии, дистанционного химико-физического анализа, контроля всхожести и спелости урожая, химической обработки. Примером этому служат японские БПЛА-вертолёты для фермеров Yamaha RIvIAX. В России подобная практика находится в начальной стадии и начинает внедряться отдельными организациями (например, компанией «Фруктовый Сад» и ФГОУ В ПО МичГАУ).

Стремительное развитие МБПЛА обуславливает необходимость в миниатюрных системах для определения параметров ориентации объектов (системах ориентации) в пространстве, построенных на различных физических принципах. Грузоподъемность и размеры МБПЛА накладывают жесткие ограничения на массогабаритные параметры систем ориентации. 6.

Одновременно с этим предъявляются высокие требования к точности определения параметров ориентации, стоимости, энергопотреблении и способности встраиваться в современные системы управления летательными аппаратами.

В настоящее время наиболее широко распространены бесплатформенные системы ориентации, построенные на основе микромеханических датчиков. Развитие микросистемной техники, в частности, появление микромеханических акселерометров и датчиков угловой скорости, позволяет создавать системы, обладающие малыми массой и габаритами. Однако, такие системы обладают большой нарастающей во времени погрешностью, обусловленной низкой точностью микромеханических датчиков и, в связи с этим, нуждаются в корректировке с помощью дополнительных датчиков или систем. Это в свою очередь породило разработку альтернативных систем на базе магнитометров, пирометров и других источников первичной информации.

Разработкой подобных систем активно занимаются такие фирмы и организации как «Philips Semiconductors» (Голландия), «Honeywell», «Space Electronic», «Crossbow Technolog)' Inc.», «Precision Navigation Inc.», «Advanced Orientation Systems Inc. (AOSI)» (США), УП «Минский НИИ радиоматериалов» (Беларусь), НТЦ «Рисса», ООО «ТеКнол», ФГУП ГНПП «Электроприбор», ФГУП ГНПП «СПЛАВ», ФГУП НКТБ «Феррит», ОАО «Научно-производственный комплекс „ЭЛАРА“ имени Г. А.Ильенко», ГОУ ВПО «Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева», Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (Россия) и др.

Проведенный анализ показывает, что данные системы не лишены недостатков. Например, магнитометрические системы ориентации чувствительны к собственному магнитному полю объекта и различным магнитным аномалиям, акселерометрическая коррекция чувствительна к 7 линейным перегрузкам, возникающим в процессе движения летательного аппарата, работа систем на пирометрических датчиках существенно зависит от внешних погодных условий.

Среди различных методов определения параметров ориентации, особое внимание привлекает метод, основанный на анализе видеопотока с установленной на борту видеокамеры. Действительно, основной задачей МБПЛА является аэровидеонаблюдение. То есть, на борту, как правило, уже имеются установленные в качестве полезной нагрузки обзорные видеокамеры. Применение их для вычисления параметров ориентации позволит значительно упростить систему управления летательным аппаратом в целом, а также уменьшить массу бортовой аппаратуры и увеличить полезную грузоподъемность МБПЛА.

Как правило, для вычисления параметров ориентации используется анализ расположения линии горизонта или каких-либо опорных точек в кадре изображения. Как следствие, у таких систем отсутствует накапливаемая погрешность, как в случае с системами на базе микромеханических датчиков. Однако, есть и недостатки: ограниченный диапазон измеряемых углов тангажа и крена (из-за ограниченного угла обзора), влияние на точность показаний рельефа, погодных условий, освещенности и т. д.

В связи с этим актуальной является разработка оптических систем ориентации, обладающих повышенными точностными характеристиками и способными функционировать в более широком диапазоне различных эксплуатационных условий. Существенными являются задачи расширения диапазона рабочих углов тангажа и крена, а также снижения влияния на точность измерения погодных условий и рельефа.

Таким образом, задача разработки теоретических основ построения, математического описания, алгоритмов функционирования и способов повышения точности работы оптических систем ориентации является актуальной.

Объектом исследования является оптическая система ориентации (ОСО) на основе видеокамеры, обладающей ограниченным углом обзора, предназначенная для использования на летательных аппаратах класса мини-БПЛА.

Предметом исследования являются математические модели, алгоритмы работы и структуры, а также новые способы построения ОСО на базе видеокамеры, позволяющие повысить её точность, расширить углы обзора и улучшить эксплуатационные характеристики.

Целью работы является повышение точности и улучшение эксплуатационных характеристик ОСО на базе видеокамеры для мини-БПЛА, за счет разработки новых алгоритмов обработки информации, новых конструкций, более точного математического описания.

Методы исследований: в работе использовался комплексный метод исследования, который характеризуется применением теории случайных процессов, теории конечного поворота твердого тела, теории геометрической оптики, теории цифровой обработки сигналов, математического моделирования с применением ЭВМ, физического моделирования в лабораторных и полевых условиях.

Научная новизна:

1) Разработан способ увеличения угла обзора видеокамеры до значений, превышающих 180°, отличающийся от известных применением дополнительной зеркальной оптической системы, состоящей из плоского и сферического зеркал. При этом обеспечиваются повышение качества изображения, увеличение диапазона рабочих углов тангажа и крена до значений [-90°.+90°] и [-180°.+180°] соответственно, возможность простой регулировки результирующего угла обзора.

2) Разработан алгоритм вычисления углов тангажа и крена, 9 оценивающий взаимное расположение неба и земли в кадре изображения, а не только линии горизонта, что позволяет уменьшить погрешность ОСО.

3) Предложен алгоритм кластеризации неба и земли на изображении, основанный на применении пороговой фильтрации с динамически изменяющимся пороговым значением. Алгоритм не требует больших вычислительных затрат, что снижает результирующую задержку ОСО.

4) Разработана математическая модель ОСО на базе видеокамеры с увеличенным углом обзора, отличающаяся от существующих систем более точным определением параметров ориентации летательного аппарата, а также возможностью функционирования в более широком диапазоне эксплуатационных условий.

Практическая ценность работы:

1) Построена математическая модель ОСО на базе видеокамеры с дополнительной зеркальной оптической системой.

2) Разработано алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее проводить имитационное моделирование ОСО.

3) Исследовано влияние различных факторов (высота полета, рельеф, наличие высотных объектов, освещенность, погодные условия, шум приемника оптического излучения) на погрешность ОСО. Приведены методы для устранения влияния высоты полета.

4) Проведены лабораторные и полевые испытания разработанных опытных образцов катадиоптрической системы ориентации.

Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведённые автором в Тульском государственном университете, и способствует решению актуальных научно-технических задач создания систем ориентации БПЛА.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО.

Тульский государственный университет" в качестве лабораторных работ по курсу «Микросистемная авионика», что отражено в акте внедрения результатов диссертационной работы. Результаты исследования реализованы в программных продуктах «Катадиоптрическая система ориентации (КСО)» и «Программный комплекс автоматического сопровождения цели (ПК-АСЦ)» на которые получены свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ. Результаты исследования использованы при выполнении гранта РФФИ № 09−08−891 «Концепция построения и проектирования авионики малоразмерных беспилотных летательных аппаратов».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы, докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: XI Конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», март 2009 г., г. С.-ПетербургI Международной научно-практической конференции «Интеллектуальные машины», апрель 2009 г., г. Москва, МГТУ «МАМИ" — XVIII Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», сентябрь 2009 г. Крым, г. Алушта (доклад отмечен дипломом I степени), I Тульском инновационном конвенте, октябрь 2009 (работе присуждено второе место), VI молодежной научно-практической конференции Тульского государственного университета «Молодежные инновации», 2012. По результатам XI Конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (март 2009 г., г. С.-Петербург) автор стал победителем конкурса «УМНИК-2009», что позволило выполнять в период с 2009 по 2011 гг. работы по договору №У-2009;2/2 на тему «Разработка панорамной видеосистемы для определения углов тангажа и крепа беспилотного летательного аппарата».

В период с 2010 и по настоящее время основные результаты диссертационной работы демонстрировались в международных форумах-выставках «Беспилотные многоцелевые комплексы"-«иУ8-ТЕСН».

Содержание диссертационной работы отражено в 10 печатных работах, в том числе в 5 периодических изданиях, рекомендованных ВАК.

Достоверность теоретических положений подтверждена математическим моделированием и экспериментальными исследованиями в лабораторных и полевых условиях на опытных образцах катадиоптрической системы ориентации.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1) Способ повышения угла обзора видеокамеры, основанный на применении дополнительной зеркальной системы с возможностью регулирования результирующего угла обзора, что обеспечивает расширение диапазона эксплуатационных условий.

2) Алгоритм вычисления параметров ориентации БПЛА с помощью ОСО на базе видеокамеры, отличающийся от известных оценкой взаимного расположения неба и земли в кадре изображения, а не только линии горизонта, что приводит к снижению погрешности ОСО, особенно при больших углах тангажа и крена. Отличием данного алгоритма также является универсальность — способность применения к любым типам оптических систем, обладающих круговой симметрией.

3) Алгоритм кластеризации земли и неба на изображении использующий пороговую фильтрацию с динамически изменяющимся пороговым значением.

4) Математическая модель ОСО, позволяющая проводить имитационное моделирование катадиоптрической системы ориентации.

Основные результаты исследований, проведенных в диссертационной работе, заключаются в следующем:

1) Разработан способ увеличения угла обзора видеокамеры до значений, превышающих 180°, за счет применения дополнительной зеркальной оптической системы, что позволяет вычислять углы ориентации при любых значениях углов тангажа и крена.

2) Разработан алгоритм кластеризации неба и земли на изображениях, основанный на применении пороговой фильтрации с динамически изменяющимся пороговым значением. Данный алгоритм не требует больших вычислительных затрат и обладает малым временем исполнения, что позволяет снизить общую задержку КСО.

3) Разработан универсальный алгоритм вычисления углов тангажа и крена, основанный на анализе взаиморасположения неба и земли на изображении, что позволяет использовать его с оптическими головками любых типов, обладающими осевой симметрией.

4) Получена математическая модель оптической головки, позволяющая проводить имитационное моделирование работы КСО и оценить точность системы на этапе проектирования.

5) Создано программное обеспечение, предназначенное для моделирования катадиоптрической системы ориентации, анализа работы алгоритма кластеризации, — оценки влияния различных факторов на погрешность вычисления углов тангажа и крена.

6) Произведена оценка влияния различных факторов на точность вычисления углов тангажа и крена: высоты полета, ландшафта высотных объектов), освещенности (времени суток), погодных условий (туман, смог), шумовых характеристик приемника оптического излучения. Предложены методы для компенсации влияния высоты полета на погрешность системы. Выяснено, что наибольшую.

121 погрешность вызывают протяженные объекты с большим вертикальным угловым размером, и шумы приемника оптического излучения в условиях низкой освещенности и низкого контраста.

7) Полученные результаты лабораторных и экспериментальных исследований подтверждают достоверность теоретических выводов. Погрешность вычисления углов тангажа и крена не превышает 1°, что является удовлетворительным для выполнения задачи автоматического полета БПЛА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.