WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

УДК: 681.51+04](043.3)

На правах рукописи

КУТАРАНОВ Айдар Хамидуллаевич

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПУТЕВОЙ СКОРОСТИ

ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С ПОМОЩЬЮ

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ

Специальность 05.13.01

«Системный анализ, управление и обработка информации»

(информатика, управление и вычислительная техника)

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2008

Работа выполнена на кафедре «Приборы и измерительно-вычислительные комплексы» Московского авиационного института (государственный технический университет)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор, Костюков Вячеслав Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Рыбников Сергей Игоревич

доктор технических наук, профессор, Берикашвили Валерий Шавлович

Ведущая организация:

НПО «Измерительной техники»

Защита состоится «16» марта 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.125.11 при Московском авиационном институте (государственный технический университет) «МАИ» по адресу: 125993, Москва, Волоколамское шоссе, д.4, главный административный корпус, зал заседаний Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «МАИ».

Автореферат разослан « » 2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета

Горбачев Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность задачи

Актуальность задачи, решаемой в диссертации, обусловлена необходимостью автономного вычисления путевой скорости летательного аппарата (ЛА) в навигационных режимах полета. Автономность достигается за счет использования инерциальной навигационной системы (ИНС), но точность при этом обеспечить не удается. У беспилотных ЛА платформенные ИНС не используются, так как они дороги, а у бесплатформенных ИНС (БИНС) с течением времени недопустимо падает точность. Спутниковая навигация в настоящее время не устойчива к помехам. Поэтому исследуется алгоритм вычисления путевой скорости ЛА, движущихся на малых высотах, автономный и малочувствительный к помехам, основанный на оптико-электронном способе определения путевой скорости по анализу изображения подстилающей поверхности.

Цель диссертационной работы

Целью работы является повышение точности навигации (коррекции БИНС) за счет использования сигнала от внешнего источника информации о путевой скорости ЛА.

Для достижения сформулированной цели в настоящей работе поставлены и решены следующие задачи:

  • разработан алгоритм работы оптико-электронной системы (ОЭС) определения путевой скорости ЛА, основанный на анализе поле яркостей земной поверхности;
  • проведено исследование точности работы устройства на основе данного алгоритма;
  • разработан полунатурный стенд работы ОЭС на борту ЛА, реализующий трехмерную визуализацию подстилающей поверхности, наблюдаемой камерами ЛА, и бортовой алгоритм определения путевой скорости ЛА;
  • проведены полунатурные испытания, подтвердившие верность предложенного пути решения поставленной задачи с требуемой точностью.

Методы исследования

Методы исследования задачи основаны на теории математических моделей, корреляционной теории вычисления сходства двух фрагментов изображений, теории движения ЛА, 3D моделировании поверхности земли, видимой с борта ЛА, методах обработки цифровых изображений и экспериментального исследования на полунатурном стенде моделирования работы ОЭС на борту ЛА.

Научная новизна:

  • создан алгоритм определения полного вектора путевой скорости ЛА, он основан на измерении скорости перемещения изображения подстилающей поверхности, видимой в поле зрения двух фотоприемных устройств (ФПУ) ОЭС, жестко закрепленных на ЛА и не требует эталонных изображений;
  • найдены оптимальные параметры устройства, при которых погрешность определения путевой скорости минимальна.

Практическая ценность:

  • разработано бортовое программно-математическое обеспечение (ПМО) определения путевой скорости ЛА. И проведены исследования влияния параметров системы на точность решения задачи определения путевой скорости;
  • все разработанные модели реализованы в виде программных модулей, ориентированных на стандартное обеспечение ПЭВМ, и имеют стандартный интерфейс, что позволяет использовать их в разработках перспективных ОЭС;
  • разработан стенд полунатурного моделирования определения путевой скорости, получены экспериментальные результаты отработки натурного макета системы определения путевой скорости;
  • проведены испытания (включая полунатурные) на стенде с визуализацией поверхности местности;
  • выполнена оценка точности определения путевой скорости ОЭС; она соизмерима с точностью ДИСС и составляет порядка 1% от измеряемой путевой скорости ЛА.

Защищаемые положения

Оптико-электоронный алгоритм определения путевой скорости, реализованный на базе оптической линейки, обеспечивающий требование по точности к ОЭС коррекции ИНС по скорости.

Достоверность результатов исследования, подтверждена сравнением полученных результатов работы стенда полунатурного моделирования с результатами теоретических исследований. Погрешность определения путевой скорости при угле наклона второго ФПУ равного 29 град., составляет 0,6%, а при угле наклона, равном 50 град., - 0,275% от измеряемой путевой скорости ЛА.

Апробация работы

Основные положения работы доложены на конференциях головного предприятия по ОЭС ФГУП «ЦНИИ АГ», международной конференции в Алуште, обсуждались на научных семинарах кафедры № 303 МАИ.

Реализация результатов работы

Разработанное программное обеспечение и алгоритм определения путевой скорости использованы при создании ОЭС в ЦНИИАГ, что подтверждается актом внедрения результатов диссертационной работы в ФГУП «ЦНИИ АГ».

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы, содержит 138 листов машинописного текста, 6 таблиц, 81 рисунок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертационной работе определена проблема повышения точности навигации путем использования оптических изображений подстилающей поверхности, обосновывается актуальность ее решения; приведен краткий исторический обзор корреляционных навигационных систем; формулируется цель и задачи диссертации; охарактеризована научная новизна и практическая значимость результатов работы, а также перечислены положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрена тенденция развития навигационных систем. Точность полета беспилотного летательного аппарата (БПЛА) в автоматических режимах полета обеспечивается в первую очередь использованием БИНС, т.к. такие системы автономны и дешевы. У БИНС с течением времени недопустимо падает точность. Поэтому данные системы необходимо корректировать. Для корректировки БИНС используются различные сигналы от внешних источников. В зависимости от внешних источников можно выделить следующие виды коррекции:

  • скоростная (ДИСС, СНС и д.р.);
  • позиционная (СНС, РСБН, РСДН, РЛС, высотомеры и т.п.);
  • по угловой информации (астросистемы, базовые ИНС, СНС с антенными системами).

Из проведенного анализа существующих методов определения путевой скорости, которые можно использовать для коррекции, следует, что наиболее точным методом на сегодняшний день является Доплеровский метод определения путевой скорости. Недостатком Доплеровского измерителя путевой скорости является высокая стоимость аппаратуры и нежелательное для работы ЛА электромагнитное излучение во внешнее пространство.

Для БПЛА, летящих постоянно на малых высотах, имеющих длинные участки ортодромии и двигающихся над контрастной в оптическом диапазоне поверхностью земли, естественным является желание использовать яркостное поле контрастной подстилающей поверхности для коррекции работы БИНС.

Постановка задачи.

Необходимо:

  • разработать алгоритм определения вектора путевой скорости на основе обработки изображения контрастного оптического поля подстилающей поверхности;
  • обеспечить точность вычисления вектора путевой скорости на квазистационарных участках низко-высотного полета, не уступающих по точности ДИСС, т.е. 0,3%-0,6% от измеряемой скорости;
  • проанализировать ошибки, присущие данному алгоритму, при его реализации на борту самолета лаборатории имитирующий полет БПЛА;
  • разработать инструментарий, обеспечивающий оценку влияния параметров контура управления ЛА, включающий оценку влияния точности работы измерительной системы БИНС, БВ, ОЭС, системы управления (стабилизации) на точность навигации.

Движение ЛА находится под воздействием внешних возмущений (ветер) и внутренних шумов (БИНС, баровысотомер и т.д.) и носит сложный характер, а подстилающая поверхность имеет переменный рельеф. Поэтому без экспериментов с визуализацией того, что видно из камер ОЭС оценка эффективности алгоритма не может быть получена.

Для решения задачи разработки алгоритма и анализа его точности необходимо разработать комплексную модель формирования вида на поверхность Земли с борта ЛА, алгоритма ОЭС и взаимодействия с различными бортовыми системами ЛА.

Комплексная модель включает в себя:

- модель движения ЛА (самолет-лаборатория);

- модель измерительной системы (БИНС+БВ+ОЭС);

- модель системы управления (САУ);

- модель фоно-целевой обстановки (ФЦО).

Модель ФЦО отображает подстилающую поверхность, над которой пролетает ЛА, на экране.

Рис. 1. Структура комплексной модели: 1 - обобщенный вектор состояния модели объекта и системы управления, 2 - навигационные параметры для ОЭС, 3 - положение и ориентация камеры, 4 – поправка путевой скорости ЛА, 5 – навигационные параметры для системы управления, 6 – строка изображения, сформированного ФПУ, 7 – угловое положение ФПУ.

Во второй главе рассмотрена реализация комплексной модели информационных процессов на борту ЛА и структура цифрового моделирования движения ЛА по отношению к земной поверхности с учетом всех факторов, влияющих на то, какое изображение будет сформировано с помощью бортовых ФПУ, при полете над 3D поверхностью земли.

Все модели рассмотрены с максимально доступной полнотой:

  • рассмотрена полная нелинейная нестационарная модель пространственного движения (не учитывалась только эластичность ЛА);
  • измерительный контур содержит модели БИНС, баровысотомера, лазерного высотомера и ОЭС с учетом погрешностей;
  • система управления реализует решение задачи стабилизации по сигналам от измерительной системы БИНС, БВ, ЛВ (с учетом погрешностей), реализуя режим стабилизации в соответствии с ПЗ (полетное задание); ПЗ представляет собой отрезки ортодромии с высотой полета от 30 до 300 метров;
  • участки ортодромии сопрягаются с участками движения по кругу с заданными скоростями разворота; балансировочное значение управляющих сигналов рассчитывается для каждого стационарного участка;
  • визуализация 3D подстилающей поверхности, видимой по линии визирования двух камер, реализована с использованием программного пакета MultiGen Vega Prime.

В первую очередь анализируем факторы, которые сказываются на точности формирования изображения, и их влияние на возможность обработки двух разнесенных изображений с целью выявления времени пролета между двумя точками поверхности земли.

Задача аналитически не поддается анализу из-за большого количества факторов, влияющих на формируемое в ФПУ изображение. В работе сделана попытка исключить упрощающие модели описания ЛА, системы управления и работы измерительного комплекса.

В третьей главе представлен алгоритм оптико-электронного определения путевой скорости.

Предлагаемый алгоритм определения вектора путевой скорости основан на оценке скорости перемещения изображения подстилающей поверхности, получаемой на основе обработки изображений, сформированных двумя ФПУ. Схема измерения скорости перемещения показана на рис. 2.

Рис. 2. Принцип определения путевой скорости: – путевая скорость, H – высота полета ЛА, - угол между линиями визирования фоточувствительных приемников, S – расстояние, которое пролетит ЛА за время T.

Оптические оси ФПУ направлены под углом друг к другу. ФПУ одновременно записывают изображения подстилающей поверхности по ходу полета. Из рис. 2 ясно, что изображения, фиксируемые ФПУ 1 и ФПУ 2 (назовем их изображения А и В), повторяют друг друга с точностью до ракурса, причем изображение В запаздывает по отношению к А на время:

, (1)

где – скорость полета ЛА.

Отсюда скорость определяется через время запаздывания Т (величину относительной высоты Н полагаем известной, измеренной малошумящим лазерным высотомером).

Для определения Т зафиксируем в момент изображение первым ФПУ точки Р (АР) и дождемся момента, когда эта же точка Р видна на втором ФПУ (ВР) и, следовательно, ВР окажется максимально сходным с изображением АР, хотя и отличающимся из-за ракурса. Момент максимального сходства определяется по максимуму взаимной корреляции АР и ВР.

Откуда получаем:. (2)

Особенность данного алгоритма:

  • формирование изображений происходит с помощью двух ФПУ;
  • изображения строятся построчно, так как используется линейка ФПУ;
  • сравниваются два текущих изображения.

В соответствии с предложенным способом определения путевой скорости ЛА схема алгоритма имеет вид:

Вычисление параметров интерполяции.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»