Малишева Юлія Олександрівна ІНТЕГРОВАНА СИСТЕМА НАВІГАЦІЇ ТА ОРІЄНТАЦІЇ ЛІТАЛЬНОГО АПАРАТУ З ОПТИЧНИМИ ПРИЛАДАМИ

Краткое описание

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ І СПОРТУ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ «КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»
На правах рукопису
Малишева Юлія Олександрівна
УДК 629.73
ІНТЕГРОВАНА СИСТЕМА НАВІГАЦІЇ ТА ОРІЄНТАЦІЇ ЛІТАЛЬНОГО АПАРАТУ З ОПТИЧНИМИ ПРИЛАДАМИ
Спеціальність 05.11.03 - Гіроскопи та навігаційні системи
Дисертація на здобуття ступеню кандидата технічних наук
Науковий керівник
д.т.н., проф. Збруцький Олександр Васильович
Київ -2016
ЗМІСТ
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ.............................................................................................. 4
ВСТУП................................................................................................................................................... 5
РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ ТА ПЕРСПЕКТИВИ РОЗВИТКУ СИСТЕМ НАВІГАЦІЇ ТА КЕРУВАННЯ НА ОПТИЧНИХ ПРИЛАДАХ...... 10
1.1. Сучасний стан комплексованих систем орієнтації та навігації на мікроелектромеханічних сенсорах 10
1.2. Сучасний стан оптичних систем визначення орієнтації по лінії горизонту та детектування перешкод 12
1.3. Нерозв’язані задачі синтезу систем навігації і орієнтації на оптичних приладах та постановка задачі дослідження......................................................................................................................................... 19
1.4. Висновки до розділу 1........................................................................................................................................... 21
РОЗДІЛ 2. РОЗПІЗНАВАННЯ ЛІНІЇ ГОРИЗОНТУ НА ЗОБРАЖЕННІ ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ КУТІВ КРЕНУ ТА ТАНГАЖУ ЛІТАЛЬНОГО АПАРАТУ . 22
2.1. Методика визначення кутів крену та тангажу по лінії горизонту на зображенні
22
2.2. Аналіз кольорових моделей представлення зображення........................................................................ 28
2.3. Побудова алгоритму виділення лінії горизонту з використанням параметра Отсу (Алгоритм 1)....... 34
2.4. Побудова алгоритму виділення лінії горизонту з використанням морфологічних операторів (Алгоритм 2) 41
2.5. Порівняння алгоритмів виділення лінії горизонту з використанням параметра Отсу та морфологічних операторів............................................................................................................................................ 44
2.6. Висновки до розділу 2........................................................................................................................................... 52
РОЗДІЛ 3. ДАТЧИК ОПТИЧНОГО ГОРИЗОНТУ...................................................................... 54
3.1. Формування датчика оптичного горизонту в програмному пакеті MatLab на основі розроблених алгоритмів........................................................................................................................................... 54
3.2. Визначення внутрішніх параметрів бортової камери та корекція вихідного зображення.. 56
3.3. Результати випробування датчика оптичного горизонту................................................................................ 60
3.4. Висновки до розділу 3........................................................................................................................................... 63
РОЗДІЛ 4. ОПТИЧНА СИСТЕМА ВИЗНАЧЕННЯ ВІДСТАНІ............................................... 64
4.1. Побудова алгоритму визначення відстані до об’єкту на основі стереобачення ....................................... 64
4.2. Експериментальне встановлення залежності відстані до об’єкту та сумарного горизонтального зміщення зображень........................................................................................................................... 69
4.3. Формування оптичної системи визначення відстані у MatLab................................................. 75
4.4. Висновки до розділу 4........................................................................................................................................... 76
РОЗДІЛ 5. ПОБУДОВА КОМПЛЕКСОВАНОЇ СИСТЕМИ НАВІГАЦІЇ ТА ОРІЄНТАЦІЇ ЛІТАЛЬНОГО АПАРАТУ З ДАТЧИКОМ ОПТИЧНОГО ГОРИЗОНТУ.............................. 77
5.1. Вибір схемо технічного рішення комплексованої системи навігації та орієнтації............................ 77
5.2. Алгоритм функціонування комплексованої системи орієнтації та навігації... 78
5.2.1. Моделі похибок СНС і магнітометру............................................................................................................ 90
5.3. Висновки до розділу 5

Список литературы

ВИСНОВКИ
Проведені у дисертаційній роботі дослідження дозволили отримати наступні результати:
1. Розроблено датчик оптичного горизонту, який складається з бортової камери та побудованому на базі теорій машинного зору та розпізнавання образів алгоритму визначення поточних кутів крену та тангажу по наперед визначеній лінії горизонту, що закладений у бортовий обчислювач. Показано, що ДОГ здатний визначати кути крену і тангажу у реальному масштабі часу і має рівень похибок <0,5° по обох кутах орієнтації, а також на відміну від існуючих моделей не потребує додаткових фінансових витрат.
2. Розроблено оптичну систему визначення відстані до перешкоди для малих маневрених БПЛА на основі алгоритму визначення зсуву між зображеннями отриманих в деякий момент часу двома відеокамерами, які розташовані на борту ЛА. В основу алгоритму покладено кореляційно - екстремальне порівняння двох зображень. ОСВВ дає можливість підвищити безпеку польоту ЛА у мінливому оточуючому середовищі.
3. Розроблено комплексовану систему орієнтації та навігації, яка включає тривісний датчик кутової швидкості та тривісний акселерометр, для формування БІНС, а також СНС та магнітометр, для корекції показань БІНС, яка за умови розширення системи за рахунок ДОГ дозволяє підвищити точність загальної системи. При чому визначено, що точність КСОН, побудованої на інерціальних вимірювачах невисокої точності (СКВ похибки ДКШ у запуску не повинно перевищувати 650°/год) можна значно підвищити шляхом комплексування із ДОГ. Також визначено, що датчик оптичного горизонту з точністю визначення кутів орієнтації <0,5° доцільно використовувати у складі КСОН сумісно з
5 2
акселерометрами, в яких похибка у запуску має СКВ не менш 65 ■ 10- м/с . Крім того для широкого класу інерціальних вимірювачів різної точності системи комплексування дозволяє зменшити СКВ похибки визначення кутів більш ніж у 3 рази. Також важливою перевагою введення ДОГ у склад системи навігації та орієнтації є можливість значного зменшення зміщення похибок визначення кутів при наявності суттєвої неповторюваності нульових сигналів чутливих елементів від запуску до запуску.
5. Отримані в роботі результати показали, що використання оптичної інформації у системі орієнтації та навігації побудованої на базі МЕМС датчиків дозволяє розширити діапазон МЕМС чутливих елементів, що використовуються для побудови системи в область датчиків середньої та низької точності, що дозволяє використовувати цю систему у системах керування БПЛА.
6. Результати дисертаційної роботи застосовані при розробці систем орієнтації та навігації безпілотних літальних апаратів в НТУУ «КПІ», а також доповідались, обговорювались та одержали позитивну оцінку на науково- технічних конференціях: І Міжнародна конференція студентів та молодих вчених «Інтелект, інтеграція, надійність», Київ 2008 р., VIII Міжнародна науково - технічна конференція «Гіротехнології, навігація, керування рухом та конструювання авіаційно-космічної техніки», Київ 2011 р., Ювілейна Науково- практична конференція, присвячена 50-річчю першого польоту людини в космос «Актуальні проблеми розвитку авіаційної техніки», Київ 2011 р., IEEE 2nd International Conference Actual Problems of Unmanned Air Vehicles Developments Proceedings (APUAVD), Київ 2013 р., IEEE 3rd International Conference on Methods and Systems of Navigation and Motion Control (MSNMC), Київ 2014 р., Х Міжнародна науково-технічна конференція «Гіротехнології, навігація, керування рухом та конструювання авіаційно-космічної техніки», Київ 2015 р., Лабораторія Комп’ютерного Зору та Розпізнавання Образів (MVPR) Лаппеенрантського Технічного Університету (LUT), Лаппеенранта (Фінляндія) 2015 р., а також на науково-технічних семінарах кафедри ПСКЛА НТУУ «КПІ», 2007-2015 рр. Також результати були впроваджені у навчальний процес на кафедрі ПСКЛА НТУУ «КПИ» та використовувались при виконанні науково-дослідницьких робіт НАЦ
КТНП ФАКС. За темою дисертації було опубліковано 12 робіт, 5 публікацій у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК та виданнях, які включені до міжнародних наукометричних баз, а також 1 стаття опублікована у закордонному періодичному виданні та 6 тез доповідей на наукових конференціях.

ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. UVS International = Міжнародної асоціації безпілотних систем [Електронний ресурс]. - Режим доступу : http://uvs- intemational. org/index.php?option=com_content&view=article&id=204&Itemid=284
2. Інерціально-супутникові навігаційні системи / М.К. Філяшкін, В.О. Рогожин, А.В. Скрипець, Т.І. Лукінова. - К : НАУ, 2009. - 296 с.
3. Долінце Б.І. Методи зменшення похибок інтегрованої інерціально- супутникової навігаційної системи / Б.І. Долінце // Проблеми навігації і управління рухом: тези доповідей Всеукраїнської науково-практичної конференції молодих учених і студентів, 28-29 листопада, 2012. - К. : НАУ, 2012. - С. 45.
4. Low Cost INS/GPS Integration : Concepts and Testing / O.S. Salychev, V.V. Voronov, M.E. Cannon, R. Nayak, G. Lachapelle // Proceedings of the National Technical Meeting, Anaheim, CA, January 2000. - Anaheim : Institute of Navigation, 2000. - C. 98-105.
5. Распопов В.Я. Микросистемная авионика: учебное пособие / В.Я. Распопов. - Тула: «Гриф и К», 2010. - 248 с. - ISBN 978-5-8125-1467-9.
6. Матвеев В.В. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем / В.В. Матвеев, В.Я. Распопов; [ред. В.Я. Распопов]. - СПб.: ГНЦ ЦНИИ "Электроприбор", 2009. - 300 с. - ISBN 978-5-900780-73-3.
7. Wolf R. A Kalman Filter for the Integration of a Low Cost INS and an attitude GPS [Електронний ресурс] / R. Wolf, B. Eissfeller, G.W. Hein // Proceedings of the International Symposium on Kinematic Systems (KIS), Banff, AB, Canada. - Banff :
1997. - Режим доступу :
http: //www.ifen.com/fileadmin/publications/KIS 1997_GPS_IN S .pdf
8. Miao C.X. Design on a Mult-Sensor Integrated Attitude Determination. System for Small UAV [Електронний ресурс] / C.X. Miao, J.J. Cao, J.C. Fang // Journal of Harbin Institute of Technology, 2014. - Режим доступу : cnki.com.cn
9. Hao Y. Research on Data Fusion for SINS/GPSI Magnetometer Integrated Navigation based on Modified CDKF / Y. Hao, Z. Zhang, Q. Xia // IEEE International
Conference on Progress in Informatics and Computing (PIC), Shanghai, 10-12 Dec. 2010. - № 2. - С. 1215 - 1219. - ISBN: 978-1-4244-6788-4.
10. Sokolovic V. Integration of INS, GPS, Magnetometer and Barometer for Improving Accuracy Navigation of the Vehicle / V. Sokolovic, G. Dikic, R. Stancic // Defence Science Journal. - 2013. - № 63(5). - С. 451-455.
11. Huang Z. J. Integration of MEMS Inertial Sensor-Based GNC of a UAV / Z. J. Huang and J. C. Fang // International Journal of Information Technology. - 2005.- № 11(10). - С. 123-132.
12. Brown A. Video-aided GPS/INS Positioning and Attitude Determination [Електронний ресурс] / A. Brown, R. Silva // NAVSYS Corporation. - Режим доступу : http://www.navsys.com/papers/index.htm
13. Ким Н.В. Определение углов крена и тангажа беспилотного летательного аппарата на основе обработки и анализа последовательности изображений подстилающей поверхности / Н.В. Ким, Н.В. Степанова // Авиакосмическое приборостроение. - 2006. - № 8. - C. 18-23.
14. Cornall T.D. Aircraft attitude estimation from horizon video / T.D. Cornall, G.K. Egan, A. Price // ELECTRONICS LETTERS 22nd, June 2006 - IET, 2006. - № 42(13). - C. 744 - 745.
15. Thurrowgood S. A vision based system for attitude estimation of UAVs / S. Thurrowgood, D. Soccol, R. J. D. Moore, D. Bland, M. V. Srinivasan // IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 11-15 October, St. Louis, Missouri, USA, 2009. - IEEE, 2009. - C. 5725 - 5730. - ISBN 978-1-4244­3803-7.
16. Todorovic S. A Vision System for Intelligent Mission Profiles of Micro Air Vehicles / S. Todorovic, M. C. Nechyba // IEEE Transactions on Vehicular Technology. - 2004. - № 53(6). - С. 1713 - 1725.
17. Bao G.-Q. Vision-based horizon extraction for micro air vehicle flight control / G.-Q. Bao, S.-S. Xiong, Z.-Y. Zhou // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. - 2005. - № 54(3). - С. 1067-1072.
18. Dusha D. Attitude estimation for a fixed-wing aircraft using horizon detection and optical flow [Електронний ресурс] / D. Dusha, W. Boles, R. Walker // 9th Biennial Conference of the Australian Pattern Recognition Society on Digital Image Computing Techniques and Applications, Glenelg, Australia, 3-5 December, 2007. - C. 485-492. - Режим доступу : http://core.ac.uk/download/pdf/10882228.pdf
19. Cornall T.D. Measuring horizon angle from video on a small unmanned air vehicle [Електронний ресурс] / T.D. Cornall, G.K. Egan // 2nd International Conference on Autonomous Robots and Agents, Palmerston North, New Zealand, December 13-15, 2004. - C. 339-344. - Режим доступу :
http://www.ist.massey.ac.nz/conferences/icara2004/files/Papers/Paper59_ICARA2004_ 339_344.pdf
20. Chen Y. Vision-Based Horizon Detection and Target Tracking for UAVs / Y. Chen, A. Abushakra, J. Lee // 7th International Symposium, ISVC 2011, Las Vegas, NV, USA, September 26-28, 2011. Proceedings, Part II. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2011. - C. 310-319.
21. Ettinger S.M. Vision-Guided Flight Stability and Control for Micro Air Vehicles / S.M. Ettinger, M.C. Nechyba, P.G. Ifju, M.R. Waszak // IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, October 2002. - №3. - C. 2134 - 2140.
22. Bao G. Towards micro air vehicle flight autonomy research on the method of horizon extraction / G. Bao, Z. Zhou, S. Xiong, X. Lin, X. Ye // In IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, Ottawa, Canada, May 2003. - № 2. - C. 1387-1390.
23. Dusha D. Error analysis and attitude observability of a monocular GPS/visual odometry integrated navigation filter / D. Dusha, L. Mejias // The International Journal of Robotics Research. - 2012. - № 31(6). - С. 714-737.
24. Oreifej O. Horizon constraint for unambiguous UAV navigation in planar scenes / O. Oreifej, N. Lobo, M. Shah // IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2011. - C. 1159-1165. - ISBN 9781612843803.
25. Todorovic S. Sky/Ground Modeling for Autonomous MAV Flight / S. Todorovic, M. C. Nechyba, P. G. Ifju // IEEE International Conference on Robotics and Automation, September 14-19, 2003. - № 1. - C. 1422 - 1427.