Математическое и алгоритмическое обеспечение систем управления видеокамерой беспилотных летательных аппаратов

• Автор: Абрамов, Николай Сергеевич
• Шифр специальности: 05.13.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Переславль-Залесский
• Количество страниц: 137 с. : ил.

ОГДАВЛЕНИЕ
введение
Актуальность темы
Цели и задачи
Научная новизна
Достоверность
Теоретическая и практическая ценность работы
Методы исследования
Положения, выносимые на защиту
Апробация работы
Публикации
Структура и объем диссертации
Содержание работы
ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР БПЛА И СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ
1.1 Обоснование выбора направления исследований
1.2 Обзор отечественных и зарубежных беспилотных летательных аппаратов и их систем технического ЗРЕНИЯ
1.2.1 Классификация и технические характеристики БПЛА
1.3 Системы технического зрения БПЛА
1.4 Анализ состояния исследований в области технического зрения и управления БПЛА в РФ и за рубежом
1.5 выводы
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ
2.1 Алгоритм улучшения качества снимка
2.1.1 Эксперименты по улучшению качества снимка
2.1.2 Сравнение с другими методами фильтрации
2.2 Алгоритм распознавания объектов на основе инвариантных моментов
2.2.1 Проверка устойчивости моментов к искажениям данных
2.2.2 Эксперименты по распознаванию объектов на основе инвариантных моментов
2.2.3 Сравнение с алгоритмом распознавания методом сканирующего окна с использованием ИНС Хемминга
2.3 Алгоритм измерения расстояния на основе инвариантных моментов
2.3.1 Эксперименты по измерению расстояния на основе инвариантных моментов
2.3.2 Оценка погрешности измерения инвариантов
2.4 Алгоритм высокоточного нацеливания камеры
2.4.1 Нацеливание камеры из начального положения
2.4.2 Нацеливание камеры из произвольного положения
2.4.3 Эксперименты по высокоточному нацеливанию камеры на объект
2.5 Выводы
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ УПРАВЛЕНИЯ БПЛА И ЕГО БОРТОВОЙ КАМЕРОЙ В ПРОЦЕССЕ ПРОВОДКИ ПО ЗАДАННОМУ МАРШРУТУ И В ЗАДАЧЕ СЛЕЖЕНИЯ ЗА ОБЪЕКТОМ
3.1. Выбор стратегии управления
3.2. Математическая модель системы управления углом тангажа
3.3. Схема интеллектуального управления полетом
3.4. Вычисление угла тангажа в задаче преследования цели
3.5. Моделирование полета БПЛА с учетом ветровой нагрузки
3.6. Управление камерой на борту БПЛА
3.7. Модель системы платформы-видеокамера
3.8. Моделирование работы системы управления камерой
3.9. Выводы
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА СТЗ НА БАЗЕ ОДИНОЧНОЙ КАМЕРЫ И СТРУКТУРЫ ЕГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

4.1 Обоснование выбора математического обеспечения и состава программного комплекса
4.2 Общая схема экспериментальной системы техі шческого зрения
4.3 Программное обеспечение экспериментального комплекса
4.4 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Актуальность темы и ее научная новизна определяются потребностью создания и оснащения малых летательных аппаратов, в том числе автономных беспилотных (БПЛА) многофункциональными системами технического зрения (СТЗ) на основе видеокамер. Подобные СТЗ должны решать задачи, свойственные современным обзорно-прицельным системам, с учетом условий выполнения полета по заданной траектории при наличии препятствующих факторов и ограничений. В перечень важнейших решаемых задач входят: выделение, распознавание и слежение за целевыми объектами, определение местоположения и ориентации летательных аппаратов, высокоточное наведение камеры в точку возможной встречи двух летательных объектов и многие другие. Вопросы обработки видеоданных и распознавания образов активно развивались в работах Ю.И.Журавлева, В.Н.Вапника, О.А.Славина, Т.Ю.Морозовой, О.Еоуе, Т.Капабе, А.СезеШ, Е.БгогДот и др. Методы управления видеокамерой рассматривались в работах С.П.Фирсова, А.В.Хамухина, Н.В.Птицына, Б.Уоиз, Ь.8.0ау1з, и др. Существенный вклад в теорию интеллектуального управления динамическими системами внесли: А.Н.Аверкин, В.Н.Вагин, В.В. Емельянов, А.Е.Еремеев, А.Н.Мелихов, Г.С.Осипов, Д.А.Поспелов и др.
Известны обзорно-прицельные системы больших летательных аппаратов, которыми занимаются в основном военные ведомства разных стран. Подобные устройства в задачах нацеливания, как правило, основываются на лазерных и тепловизорных указателях, как, например, в системе «Пейв Спайк» самолета Е-4 и «Пейв Тек» самолета Е-111Е, а также в отечественных самолетах и вертолетах. Большое внимание в последнее время уделяется проблеме построения «интеллектуальных систем видеонаблюдения», способных комплексно решать задачу слежения за целью

данных аэро- и спутниковой фотосъемки и передаче информации о положении и ориентации объекта в систему управления или контроллер. Усложнение указанной задачи связано, в частности, с уменьшением или полным устранением зависимости алгоритмов навигации и управления БПЛА от сигналов ГЛОНАСС/GPS. Для построения имитационной модели системы автоматического ориентирования используют самообучающиеся системы, нейронные сети, численные и другие методы, позволяющие оперировать областями с большим количеством переменных и многокритериальностью при построении.
В России подобные исследования ведутся силами ряда институтов РАН, отраслевых НИИ и других организаций. Но, в настоящий момент, основные отечественные разработки направлены на решение базовых задач планирования маршрута, контроля над траекторией движения, обнаружения угроз. В них пока не используются современные методы автоматического планирования целенаправленного поведения, методы синтеза планов на основе прецедентной информации и информация о достижимости состояний, а также достижения теории управления, что существенно ограничивает их функциональность по сравнению с зарубежными аналогами.
Активные работы в области систем управления и навигации БПЛА ведутся в США, объединенной Европе и Израиле. По направлению диссертационной работы регулярно проводятся международные конференции, например, симпозиум «Unmanned Aircraft Systems International Symposium on Unmanned Aerial Vehicles, UAV ‘08», который проходил в Orlando FL, June 23-25, 2008 и имеется достаточно большое количество публикаций. Остановимся на некоторых из них.
В работе [32] представлен метод получения инвариантных, по отношению к вращениям и масштабированию, характеристик опорных точек на изображениях. Изложенный в статье подход обладает свойством