WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Для того чтобы осуществить поиск одного изображения на другом изображении, необходимо привести фрагменты изображений к одному разрешению. Так как ФПУ 2 направлено под углом к линии визирования ФПУ 1, изображение 2 отличается от 1 по ракурсу. Алгоритм приведения фрагментов изображения 2 к изображению 1 следующий.

Необходимо рассчитать расстояние от центра ФПУ 2 до подстилающей поверхности. По линии визирования это расстояние равно:

, (3)

где: - высота полета ЛА.

Далее необходимо рассчитать расстояние, которое накрывает ФПУ 2., (4)

где: - угол зрения ФПУ 1 и ФПУ 2.

Расстояние, которое накрывает ФПУ 1 с высоты, определяем по выражению (3). Рассчитываем сколько элементов на ФПУ 2 накрывают поверхность, которую не накрывают элементы с ФПУ 1.

, (5)

где - количество фотодиодов в ФПУ 1 и ФПУ 2.

Далее определяем значение яркости для каждого из элементов ФПУ 2 с учетом не используемых элементов.

Расчет частоты съемки строк изображения.

Для вычисления путевой скорости ЛА необходимо рассчитать частоту съемки строк изображений, которая должна быть такой, чтобы изображение с первого ФПУ было без разрывов. Частота съемки равна:

, (6)

где - предварительная оценка скорости (от БИНС), - расстояние, которое накрывает ФПУ 1.

Электронная стабилизация изображения.

Изображения, получаемые с помощью ФПУ, зависят от углов тангажа, крена и рысканья -, которые определяют положение системы. Отображение точки поверхности на изображение оптического датчика ФПУ 2 могут быть связаны с системой координат оптического датчика ФПУ 1 уравнением в матричной форме:

, (7)

, (8)

где М – матрица перехода от связанной системы координат к нормальной системе координат.

Вычисление признаков.

Производя съемку, ФПУ получает строки изображения в оттенках серого. Данные строки изображения пересчитываем в черно-белое изображение. Для этого необходимо получить минимум две строки изображения. В полученных изображениях вычисляем диапазон яркости, устанавливаем пороговое значение яркости относительно полученного диапазона.

(9)

(10)

где - результирующее значение, - значение текущей яркости пикселя, - пороговое значение яркости.

Вычисление корреляции и путевой скорости.

При накоплении необходимого количества строк изображений производим поиск фрагмента одного изображения на другом изображении, по следующему алгоритму:

, (11)

где i – номер текущей строки, m – количество строк изображения, - число не совпавших пикселей, - пороговое значение.

В результате поиска будет найден фрагмент изображения А, наиболее сходный с использованным при поиске фрагментом изображения В. После этого по разности времен фиксации соответствующих друг другу фрагментов А и В находим оценку путевой скорости ЛА, используя выражение (2).

Важной особенностью устройства является необходимость контроля боковой скорости. Анализ диапазона изменения боковой скорости показывает, что скорость менее 1 м/с невозможно измерить, используя располагаемую линейку ФПУ производства «Sony», так как для определения таких малых скоростей требуются оптические приборы с чрезмерно высокой разрешающей способностью, порядка нескольких сантиметров. Рассматривать скорость выше 10 м/с также нет необходимости, так как при скорости больше 10 м/с БПЛА данного типа не летают.

Вышесказанное обусловлено тем, что если боковая скорость ЛА равна =1 м/с, высота полета 300 метров, путевая (продольная) скорость ЛА 200 м/с, угол закрепления второго ФПУ равен 50 градусам, частота съемки строки изображения =0,01 секунда, то - расстояние, которое пролетает ЛА за время.

.

Из выражения, количество итераций до начала совпадения строк изображений (при заданных параметрах равно N=179). ЛА за это время Т пролети расстояние равное:

, (12)

а именно = 1*0,01*179 = 1,79 метров.

Для определения такого перемещения необходима ФПУ, которая будет иметь разрешающую способность 1,79 метра. Чтобы обеспечить данную разрешающую способность, фокусное расстояние существующей ФПУ должно быть равно:

, (13)

где: - размер фотодиода (для существующего ФПУ = 0,0014 метра), - фокусное расстояние, - расстояние, которое фиксирует один фотодиод (в данном случае =1,79 метра), - высота полета.

Из выражения (13):

. (14)

Для данной задачи = 0,234 метра. Теоретически в таких случаях можно использовать оптическую систему, которую ставят на телескопы, или использовать ФПУ с большим количеством фотодиодов, но данные способы дорогостоящие, а изменения фокуса и размера фотодиода, приведут к увеличению размера и массы ОЭС. Поэтому нецелесообразно использовать их для решения данной задачи.

При вычислении боковой скорости в диапазоне от 1м/с до 10 м/с данным методом необходимо учитывать то, что при боковой скорости ЛА крайние элементы второго ФПУ будут захватывать поверхность, которую не фиксировало первое ФПУ.

При вычислении боковой скорости с использованием ФПУ, имеющих одинаковое количество чувствительных элементов, крайние элементы ФПУ 2 будут получать изображение поверхности, которое не фиксировало ФПУ 1. При расчете корреляции их нельзя учитывать. Данный факт повлияет на падение коэффициента корреляции и в результате может привести к срыву корреляционного поиска. Чтобы это предотвратить, необходимо увеличить количество фотодиодов первого ФПУ.

При данных параметрах полета и заданного диапазона боковых скоростей количество необходимых фотодиодов рассчитывается следующим способом:

, (15)

где: - количество фотодиодов, - расстояние в боковом направлении, которое пролетает ЛА, до начала совпадения строк изображений с ФПУ 1 и ФПУ 2, - расстояние, которое фиксирует один фотодиод.

При максимально необходимом контроле скорости расстояние, которое пролетит ЛА в боковом направлении по выражению (12), равно:

=,

где - боковая скорость ЛА, - время съемки строки изображения, - число строк изображения ФПУ 2, которые снимает ЛА до начала совпадения с фрагментом изображения ФПУ 1. Отсюда выражение (12) равно:

= 10*0,01*179 = 17,9 метров.

Подставляя в выражение (15), имеем - дополнительное количество фотодиодов необходимых для определения боковой скорости в одном направлении:

.

Соответственно, для определения боковой скорости в диапазоне от 1 до 10 м/с в двух направлениях необходимо, чтобы ФПУ 1 имело на 2*N (на 20) фотодиодов больше, чем ФПУ 2. Если ФПУ 1 имеет 16 фотодиодов, то у ФПУ 1 должно быть 36 фотодиодов. На сегодняшний день ФПУ имеют до нескольких тысяч фотодиодов. Единственным недостатком в данном методе определения боковой скорости является длинный фокус. Для того чтобы 1 фотодиод фиксировал 1 метр поверхности, фокусное расстояние по выражению (14) должно быть равно:

F = 0,21 м.

Если количество фотодиодов увеличить, как было предложено выше, то определить боковую составляющую путевой скорости возможно по выражению (2), в котором перемещение рассчитывается по выражению:

,

где - высота полета, - угол зрения ФПУ, - количество фотодиодов на первом ФПУ.

Рис. 4. Определение боковой составляющей путевой скорости при использовании ФПУ с различным количеством фотодиодов: S – боковое смещение фрагмента изображения, относительно номинального положения.

Используя в алгоритме оценку высоты, формулируем требования к точности её измерения. Из выражения (2) следует, что погрешность измерения скорости линейно зависит от погрешности определения высоты. Из заданной погрешности определения скорости следует, что оценить высоту с необходимой точностью удается с помощью лазерного дальномера ДЛ-1. Систематическая ошибка такого дальномера равна:

±(0,3+0,001*D) м,

где: D – текущее значение дальности.

Далее в работе проведен анализ погрешности определения путевой скорости, оптимизированы параметры конструкции и алгоритма по критериям минимизации ошибок. Рассчитаны погрешности, возникающие при движении с ускорением, оговорены требования к ФПУ для возможности определения боковой скорости в диапазоне от 1 до 10 м/с, определены требования к точности оценивания высоты полета ЛА.

Проведено исследование влияния изменения высоты подстилающей поверхности и скорости изменения высоты на одних и тех же участках изображений, видимых различными камерами. Аналитическое изучение данного вопроса не представляется возможным, поскольку выделить такие участки и оптимизировать алгоритм работы на них в настоящее время не удается. Поэтому в работе проведены экспериментальные исследования на полунатурном стенде с целью выявления допустимых наклонов рельефа, на котором срабатывает корреляционный анализ изображения. В случае если уровни корреляции ниже порогового уровня и при этом наблюдается изменение высоты рельефа, то это является основанием для выключения коррекции БИНС от ОЭС алгоритма, и переход на прогнозирование ошибки БИНС и ее компенсации в комплексной обработке на основании предложенного алгоритма.

Формирование оценки навигационной ошибки в случае отсутствия коррекции от ОЭС.

Схема формирования наилучшей оценки навигационной ошибки в случае отсутствия внешнего сигнала коррекции производится в соответствии с рис. 7.

На основном участке, когда есть коррекция БИНС от ОЭС, строится модель ошибок БИНС. В условиях потери внешней коррекции от ОЭС (модели формирующих фильтров уже созданы) прогноз ошибок БИНС производится формирующими фильтрами:. Алгоритмы обработки изложены ниже.

Рассмотрим аппроксимацию ошибок измерения БИНС (рис.5). Детерминированная часть ошибки по скорости, полученной на этапе коррекции от ОЭС, БИНС в каждом канале аппроксимируется выражением вида (рис. 5):

, (16)

где – константы.

Динамическая составляющая ошибки БИНС может быть представлена:

Y = -, (17)

Рис. 5. Измерение путевой скорости БИНС без коррекции от ОЭС: – путевая скорость (продольная составляющая), N – количество итераций, С0 = 0, С1 = 0.000241, С2 = -0.000641, С3 = 0.009995.

Рис. 6. Динамическая ошибка скорости по оси Х, Vпх (м/с): – путевая скорость (продольная составляющая), N – количество итераций коэффициенты динамических ошибок равны: B11= -0.00939623, B12= 1.72159, B13= 1.20408, B21= -0.912763, B22= -8.43853, B23= 8.3504, B31= -0.66492, B32= 1.73477, B33=0.0080379, B41= -0.000919355, B42= 0.00249627, B43= -0.00160352, B51= -0.000393262, B52= 0.00114961, B53= 0.000347244, B61= -0.000989115, B63= -0.00236705, B71= 0.0113615, B72= 0.00447568, B73= -0.0207692, B81= 0.000174663, B82= 0.000794310, B83= -0.00548654, B91= -0.0137934, B92= 0.0177255, B93= -0.198472, A1 = -0.126884, A2 = -0.0970979, A3 = -0.0612155, C0 = 0.00582538, СКО=0.0400121.

Переход к дискретному времени k=t/T0 позволяет описать поведение формирующего фильтра с помощью разностного уравнения:

где - выходной сигнал динамической ошибки БИНС, - составляющие вектора состояния ЛА измеряемые в БИНС.

Задача идентификации формирующего фильтра заключается в определении коэффициентов разностного уравнения и по известным измерениям входного вектора состояния - измерения от БИНС, и выходного процесса (ошибок БИНС) в дискретные моменты времени.

Модель формирующего фильтра динамических составляющих ошибки Y находим, используя метод параметрической идентификации.

Найденная в основном режиме Y(t) используется для задачи идентификации параметров формирующего фильтра динамической ошибки, т.е. вектора параметров A, B.

Используем рекуррентную формулу для оценивания параметров фильтра:

,

где,

,,

где ; G(0)=c2E, c, -фактор памяти, - вектор измерений.

В четвертой главе рассмотрена программная реализация алгоритма определения путевой скорости. Алгоритм реализован на языке программирования С++ в среде VISUAL STUDIO 6.0. ОЭС модель реализована в виде динамической библиотеки (DLL).

Был собран стенд полунатурного моделирования. С помощью стенда полунатурного моделирования произведены оценки влияния конструктивных параметров на определение путевой скорости. Построены графики этих зависимостей.

Параметры моделирования были следующими:

  • высота полетов от 30 метров до 300 метров;
  • время между съемками строк изображения от 0,2 с до 0,01 с.

Далее представлены результаты моделирования.

На рис. 8, представлен результат моделирования. Путевая скорость определялась без учета ускорения. Для определения скорости использовалось выражение (2). В начале эксперимента дополнительная погрешность, вызванная наличием ускорения, была равна 0,0238 м/с, а к окончанию моделирования погрешность определения путевой скорости составляла 3,4699 м/с и продолжала расти.

На рис. 8 представлен результат моделирования с учетом ускорения.

Рис. 8. Результат моделирования с учетом ускорения: – путевая скорость, N – количество итераций.

По результатам работы математического и полунатурного моделирования выявлено влияние следующих параметров на погрешность определения путевой скорости:

  • конструктивных параметров второго ФПУ;
  • шага между съемками строк изображения;
  • высоты полета ЛА.

С помощью математического и полунатурного моделирования проверена работоспособность алгоритма при следующих режимах работы:

  • приведены оценки точности вычисления навигационных оценок параметров БИНС+ОЭС для стационарных режимов полета и заданных точностных характеристик измеряемой части (с учетом и без учета ОЭС);
  • с постоянной скоростью;
  • с ускорением.

Заключение и общие выводы

  1. Разработана комплексная математическая модель движения ЛА с БИНС, корректируемой от ОЭС.

Комплексная модель включает в себя:

- модель движения ЛА;

- модель измерительной системы;

- модель системы управления;

- модель фоно-целевой обстановки.

Разработанные модели позволили оценить точность определения путевой скорости ЛА при различных подходах к коррекции ошибок вычисления скорости.

Pages:     | 1 || 3 |






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