Абрамов, Николай Сергеевич. Математическое и алгоритмическое обеспечение систем управления видеокамерой беспилотных летательных аппаратов

brief description

Абрамов, Николай Сергеевич. Математическое и алгоритмическое обеспечение систем управления видеокамерой беспилотных летательных аппаратов : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.01 / Абрамов Николай Сергеевич; [Место защиты: Ин-т систем. анализа РАН].- Переславль-Залесский, 2013.- 137 с.: ил. РГБ ОД, 61 14-5/1706

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ПРОГРАММНЫХ СИСТЕМ
ИМ. А.К. АЙЛАМАЗЯНА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
На правах рукописи
04201454574
АБРАМОВ НИКОЛАЙ СЕРГЕЕВИЧ
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ВИДЕОКАМЕРОЙ
БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
05.13.1 Системный анализ, управление и обработка информации (информационно-вычислительное обеспечение)
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: Профессор, доктор технических наук В.М. ХАЧУМОВ
Переславль-Залесский
ВВЕДЕНИЕ 4
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ 4
ЦЕЛИ и ЗАДАЧИ 6
НАУЧНАЯ НОВИЗНА 6
ДОСТОВЕРНОСТЬ 7
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ 7
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 8
ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 8
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ 9
ПУБЛИКАЦИИ 9
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ 10
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 10
ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР БИЛА И СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ 12
1.1 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 12
1.2 ОБЗОР ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ И ИХ СИСТЕМ
ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ 16
1.2.1 КЛАССИФИКАЦИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БПЛА 17
1.3 СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ БПЛА 25
1.4 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ БПЛА в РФ и ЗА
РУБЕЖОМ 34
1.5 Выводы 37
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ 40
2.1 АЛГОРИТМ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА СНИМКА 40
2.1.1 ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО УЛУЧШЕНИЮ КАЧЕСТВА СНИМКА 45
2.1.2 СРАВНЕНИЕ С ДРУГИМИ МЕТОДАМИ ФИЛЬТРАЦИИ 49
2.2 АЛГОРИТМ РАСПОЗНАВАНИЯ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ ИНВАРИАНТНЫХ МОМЕНТОВ 52
2.2.1 ПРОВЕРКА УСТОЙЧИВОСТИ МОМЕНТОВ К ИСКАЖЕНИЯМ ДАННЫХ 56
2.2.2 ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО РАСПОЗНАВАНИЮ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ ИНВАРИАНТНЫХ МОМЕНТОВ 58
2.2.3 СРАВНЕНИЕ С АЛГОРИТМОМ РАСПОЗНАВАНИЯ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕГО ОКНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ИНС ХЕММИНГА 60
2.3 АЛГОРИТМ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ НА ОСНОВЕ ИНВАРИАНТНЫХ МОМЕНТОВ 63
2.3.1 ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗМЕРЕНИЮ РАССТОЯНИЯ НА ОСНОВЕ ИНВАРИАНТНЫХ МОМЕНТОВ 64
2.3.2 ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ИНВАРИАНТОВ 67
2.4 АЛГОРИТМ ВЫСОКОТОЧНОГО НАЦЕЛИВАНИЯ КАМЕРЫ 72
2.4.1 НАЦЕЛИВАНИЕ КАМЕРЫ ИЗ НАЧАЛЬНОГО ПОЛОЖЕНИЯ 75
2.4.2 НАЦЕЛИВАНИЕ КАМЕРЫ ИЗ ПРОИЗВОЛЬНОГО ПОЛОЖЕНИЯ 80
2.4.3 ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ВЫСОКОТОЧНОМУ НАЦЕЛИВАНИЮ КАМЕРЫ НА ОБЪЕКТ 81
2.5 Выводы 82
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ УПРАВЛЕНИЯ БПЛА И ЕГО БОРТОВОЙ КАМЕРОЙ В ПРОЦЕССЕ ПРОВОДКИ ПО ЗАДАННОМУ МАРШРУТУ И В ЗАДАЧЕ СЛЕЖЕНИЯ ЗА ОБЪЕКТОМ 84
3.1. ВЫБОР СТРАТЕГИИ УПРАВЛЕНИЯ 85
3.2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ УГЛОМ ТАНГАЖА 87
3.3. СХЕМА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТОМ 90
3.4. ВЫЧИСЛЕНИЕ УГЛА ТАНГАЖА В ЗАДАЧЕ ПРЕСЛЕДОВАНИЯ ЦЕЛИ 93
3.5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЕТА БПЛА с УЧЕТОМ ВЕТРОВОЙ НАГРУЗКИ 95
3.6. УПРАВЛЕНИЕ КАМЕРОЙ НА БОРТУ БПЛА 103
3.7. МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ПЛАТФОРМЫ-ВИДЕОКАМЕРА 106
3.8. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КАМЕРОЙ 107
3.9. Выводы 111
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА СТЗ НА БАЗЕ ОДИНОЧНОЙ КАМЕРЫ И СТРУКТУРЫ ЕГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ 112
4.1 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И СОСТАВА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА .... 112
4.2 ОБЩАЯ СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ТЕХІ ІИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ 115
4.3 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО КОМПЛЕКСА 117
4.4 Выводы 120
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 123
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ 125
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ' 127
ПРИЛОЖЕНИЕ А 135
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 136

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной диссертационной работе решены следующие задачи:
- Разработан алгоритм улучшения качества снимка по серии смежных кадров видеоряда, отличающийся от известных методов фильтрации искажений отсутствием необходимости настройки параметров и сканирования окном, с оценкой сложности 0(кп), где ^-количество кадров, 72- размер кадра;
- Разработаны и исследованы алгоритмы распознавания и вычисления расстояний до объекта с помощью одиночной видеокамеры, основанные на модификации метода инвариантных моментов, способе масштабирования, и выполненной оценки их чувствительности, что позволило сократить объем вычислений приблизительно на 30%;
- Разработан алгоритм управления одиночной камеры с двумя степенями свободы, обеспечивающий, в отличие от стандартных алгоритмов поддержки видеокамер, использующих нацеливание в заданный квадрат, высокоточное нацеливание в заданную точку наблюдения с погрешностью отклонения от цели, не превышающей 5%, и время наведения не более 0.3 с. (в использованной экспериментальной установке);
- Разработан оригинальный алгоритм управления динамической системой «БПЛА-видеокамера» на основе продукционных правил для одновременного решения задач проводки по маршруту при наличии ветровых нагрузок и слежения с опережением за динамическими объектами, обеспечивающий приемлемую точность наведения (в проведенной серии экспериментов не хуже 95%);
- Разработано алгоритмическое обеспечение и оригинальный программный комплекс для моделирования работы бортовой системы управления техническим зрением на основе одиночной поворотной видеокамеры.
Результаты использованы в составе одного из модулей настройки управления поворотной камеры системы видеонаблюдения Orwell-2k ЗАО «ЭЛВИС-Неотек», что позволило повысить точность предварительной калибровки.
Результаты исследования могут быть использованы при создании программного и алгоритмического обеспечения микропроцессорных систем управления видеокамерами беспилотных летательных аппаратов