автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Модель и алгоритм определения путевой скорости с помощью оптико-электронной системы

На правах рукописи

КУТАРАНОВ Айдар Хамидуллаевич

МОДЕЛЬ И АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПУТЕВОЙ СКОРОСТИ 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

003449878

Работа выполнена на кафедре «Приборов и измерительно-вычислительных комплексов» в Московском авиационном институте (государственном техническом университете).

Научный руководитель .Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

д.т.н., проф., Костюков Вячеслав Михайлович

д.т.н., проф., Мельников Валерий Ефимович

к.т.н., доцент, Филиппов Александр Николаевич

НПО «Измерительной техники»

Защита состоится « '0 у> НО^^Л008 г. в_часов на заседании

диссертационного совета Д212.125.11 при Московском авиационном институте (государственного технического университета) «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 «. » охм^лш 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). Автономность достигается за счет использования инерциальной навигационной системы (ИНС), но точность обеспечить не удается. У беспилотных летательных аппаратов платформенные ИНС не используются, так как они дороги, а у бесплатформенных ИНС (БИНС) с течением времени недопустимо падает точность. Спутниковая навигация не устойчива к помехам. Поэтому необходимо разработать для вычисления путевой скорости летательных аппаратов движущихся на малых высотах, автономный и малочувствительный к помехам, оптико-электронный способ определения путевой скорости.

Цель диссертационной работы

Целью работы является разработка структуры и алгоритма функционирования оптико-электронного устройства определения путевой скорости.

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

• разработан алгоритм работы оптико-электронной системы;

• проведено исследование точности работы устройства на основе данного алгоритма;

• 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 летательного аппарата и методов обработки цифровых изображений, полунатурные исследования на оптико-электронном стенде.

Научная новизна

Научная новизна состоит в создании нового алгоритма определения путевой скорости летательного аппарата, основанного на измерении скорости перемещения изображения подстилающей поверхности, видимой в поле зрения установленного на ЛА фотоприемного устройства оптико-электронной системы (ОЭС). Анализ влияния параметров системы на точность определения путевой скорости, позволил установить параметры, при которых погрешность определения путевой скорости минимальна.

Практическая ценность

- разработано бортовое программно-математическое обеспечение (ПМО) определения путевой скорости летательного аппарата. Проведены исследование влияния параметров системы на точность решения задачи определения путевой скорости;

- все разработанные модели реализованы в виде программных модулей, ориентированных на стандартное обеспечение ПЭВМ, 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.

Защищаемые положения

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

Достоверность результатов исследования, подтверждено сравнением полученных результатов работы стенда полунатурного моделирования с результатами теоретических исследований.

Апробация работы

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

Реализация результатов работы

Разработанный алгоритм определения путевой скорости и программное обеспечение, разработанное на их основе, 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 115 листов машинописного текста, 6 таблиц, 63 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертационной работе определена проблема, 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. Проведен анализ существующих методов определения путевой скорости:

• метод решения навигационного треугольника скоростей;

• метод визирования земной поверхности;

• доплеровский измеритель путевой скорости.

Из проведенного анализа существующих методов определения путевой скорости следует, что наиболее точным методом на сегодняшний день является доплеровский метод определения путевой скорости. Недостатком Доплеровского измерителя путевой скорости является высокая стоимость аппаратуры и демаскирующее ЛА электромагнитное излучение. Для решения задачи определения путевой скорости, предложено использовать оптико-электронную систему определения путевой скорости.

Представлена классификация оптико-электронных систем. Представлен краткий обзор ОЭС зарубежных стран.

Во второй главе сформулирована постановка задачи.

Необходимо обеспечить коррекцию ИНС по оптическим полям в условиях низкой освещенности. Реализацию коррекции предполагается проводить на ограниченном участке квазистационарного полета, что требует исследования достигаемой точности в рамках квазистационарного полета ЛА и работы системы стабилизации с

анализом погрешностей, которые могут появиться в рамках квазистационарного полета.

Исследовать величины погрешностей, разработать алгоритм, обеспечивающий требуемый технический уровень в измерении путевой скорости.

Анализ погрешностей при работе метода оптико-электронной системы предполагает рассмотрение замкнутой модели контура включающего ЛА, измерительную систему (ИНС, ОЭС), систему управления (стабилизации).

Необходимо разработать алгоритм, основанный на пассивном методе определения путевой скорости, малочувствительному к помехам, препятствующим точному определению путевой скорости.

Рассмотрены математические модели:

• движения летательного аппарата;

• измерительной системы;

• система управления.

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

Алгоритм основан на измерении скорости перемещения изображения подстилающей поверхности, видимой в поле зрения установленного на ЛА фотоприемного устройства ОЭС. Схема измерения скорости перемещения показана на рис. 1.

Два фотоприемных устройства (ФПУ), оптические оси, которых направлены под углом а друг к другу, одновременно записывают изображения подстилающей поверхности по ходу полета. Из рис. 1 ясно, что изображения, фиксирующие ФПУ 1 и ФПУ 2 (назовем их изображениями А и В) повторяют друг друга, причем изображение В запаздывает по отношению к А на время Т = где \У - скорость полета ЛА.

Отсюда скорость IV =

Н1ёа

определяется через время запазды-

вания Т (величину Н полагаем известной, измеренной высотомером).

Для определения Т, зафиксируем в момент г, изображения А над точкой Р - Ар и дождемся момента - Вр и, следовательно, окажется максимально сходным с изображением Ар, (хотя и отличающимся из-за ракурса). Момент г2 максимального сходства определяется по максимуму взаимной корреляции Ар и Вр.

Получаем: № ■■

(1)

Особенность реализации этой идеи в данной работе состоит в том, что изображения А и В строятся построчно, т.к. используются не кадровые, а строчные ФПУ.

/а

а

1=п г=т2

Рис. 1. Принцип определения путевой скорости Где: - путевая скорость, Н - высота полета ЛА, а - угол между линиями визирования фоточувствительных приемников, Б - расстояние, которое пролетит ЛА за время Т.

Важной особенностью устройства является необходимость контроль боковой скорости из требования к вычислению боковой скорости, следует, что скорости, менее 1 м/с, не имеет смысла рас-

сматривать, так как для определения таких малых скоростей, требуются оптические приборы с чрезмерно высокой разрешающей способностью, порядка нескольких сантиметров. Скорости, выше 10 м/с, так же рассматривать нет необходимости, так как при скорости больше, чем 10 м/с, корпус ЛА аппарата разрушится.

Допустим боковая скорость ЛА равна 1 м/с, высота полета 300 метров, путевая скорость ЛА 200 м/с, угол закрепления второго ФПУ равен 50 градусам, частота съемки строки изображения 0,01 секунда. ? =У * /

Д бок бок Д1

д^бок ~ расстояние, которое пролетает ЛА за время 1:.

тт „

Из выражения N =-—, количество итерации до начала

л'

совпадения строк изображений, при заданных параметрах равно 179. ЛА за это время пролети расстояние равное:

(2)

$60, = 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:

(3)

Г н

Где: - размер фотодиода, для существующего ФПУ Д = 0,0014 метра, фокусное расстояние, £)2 - расстояние, которое фиксирует один фотодиод, в данном случае £2=1,79 метра, Я - высота полета.

Из выражения (3):

Р = (4)

Для данной задачи Р - 0,234 метра. В таких случаях теоретически можно, использовать оптическую систему, которые 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, данным методом, необходимо учитывать то, что, при боковой скорости ЛА аппарата крайние элементы второго ФПУ будут захватывать поверхность, которую не фиксировало первое ФПУ.

При вычислении боковой скорости, с использованием ФПУ, которые имеют одинаковое количество чувствительных элементов, крайние элементы ФПУ 2 будут получать изображение поверхности, которое не фиксировало ФПУ 1. И 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:

Ы -

фотодиодов р.

2

Где: - количество фотодиодов, - расстояние в бо-

ковом 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: УГмж =10м/с расстояние, которое пролетит ЛА в боковом направлении по выражению (2), равно:

S — у * t* N

°<кт бок А' 'ч >

Где ^6«=10м/с боковая скорость ЛА, j = 0,01с время съемки строки изображения, N = 119 число строк, которое пролетит ЛА до начало повторения совпадения фрагментов изображений. Отсюда выражение (2) равно:

Я&ж = 10*0,01*179 = 17,9 метров. Используя ранее полученное £>2 из выражения (4) получим:

^ фотодиодов — Ю •

N - количество фотодиодов необходимых для определения боковой скорости в одном направлении, то 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 (4) должно быть равно:

F = 0,21 м.

Как говорилось выше при таких фокусных расстояниях нецелесообразно использовать ОЭС для решения данной задачи.

Используя в алгоритме оценку высоты, формулируем требования к точности измерения высоты. Из выражения ¡V = , следует,

'г

что погрешность измерения скорости линейно зависит от погрешности определения высотомера. При заданной погрешности определе-

ния скорости равной 0,3% от измеряемой скорости, следует, что погрешность определения высоты не должна превышать 0,3%.

С необходимой точностью оценить высоту удается с помощью лазерного дальномера ДЛ-1. Систематическая ошибка такого дальномера равна:

±(0,3+0,001*D) м,

Где: D - текущее значение дальности.

Проведен анализ погрешности определения путевой скорости. Оптимизированы параметры конструкции и алгоритма по критериям минимизации ошибок. Проведен анализ погрешности возникающей при движении с ускорением. Оговорены требования к ФПУ для возможности определения боковой скорости в диапазоне от 1 до 10 м/с. Оговорены требования к точности определения высоты полета ЛА.

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

С использованием математических моделей был собран стенд полунатурного моделирования. С помощью стенда полунатурного моделирования были оценены влияние конструктивных параметров на определение путевой скорости. Построены графики этих зависимостей. Влияние параметров рассмотрены при движении с ускорением и без ускорения ЛА.

Рис. 2. Стенд полунатурного моделирования

Параметры моделирования были следующими, высота полетов при моделировании находилась в диапазоне от 30 метров до 400 метров. Ниже 30 метров летательные аппараты не летают, поэтому не целесообразно проводить моделирование на высотах ниже 30 метров. На высотах выше 400 метров моделирование не проводилось, это обуславливалось тем, что выше 400 метров оптика не всегда эффективно работает, вследствие атмосферных явлений. При сильной облачности или сильном тумане на высотах выше 400 метров оптика не фиксирует поверхность, над которой пролетает летательный аппарат.

Время между съемками строк изображения находилось в диапазоне от 0,2 секунд до 0,01 секунды. Время меньше 0,01 секунды не использовалось по причине физического ограничения временем накопления заряда на фоточувствительном устройстве. Время больше, чем 0,2 секунды не использовалось по причине того, что разрешение

снимка при высотах приведенных выше должно быть несколько метров на пиксель, следовательно, время накопления заряда на ФПУ должно быть как можно меньше.

Представлены результаты моделирования. Оценена зависимость погрешности определения путевой скорости от параметров. Рассмотрим некоторые из них.

12 л------

О -1-1-1-■-1

150 170 190 210 230 250

Рис. 3.

Где: - путевая скорость, £ ^ - погрешность определения скорости, а - угол наклона второго ФПУ, в диапазоне от 5 до 45 градусов.

На рис. 3 представлена зависимость погрешности определения путевой скорости от угла наклона второго ФПУ при следующих параметрах:

• высота 300 метров;

• время ^ =0,01.

Из представленного рисунка видно, что при уменьшении угла наклона второго ФПУ погрешность определения скорости увеличивается. Так при угле наклона 45 градусов, и скорости движения 250 м/с погрешность составляет 1,037, а при угле 5 градусов и скорости движения ЛА 250 м/с составляет 11,365.

1

Рис. 4.

Где: - путевая скорость, д ^ - погрешность определения скорости, а - угол наклона второго ФПУ, в диапазоне от 5 до 45 градусов. На рис. 4 представлена зависимость погрешности определения путевой скорости от угла наклона второго ФПУ. Параметры моделирования:

• высота 100 метров;

• время =0,01.

Из рисунка 3 видно, что при уменьшении высоты полета ЛА аппарата погрешность увеличилась. Так же погрешность увеличивается при уменьшении угла наклона второго фоточувствительного приемника.

Представлены результаты моделирования движения с ускорением. Рассмотрим результаты определения путевой скорости. Параметры моделирования полета:

• высота полета ЛА равна 300 метрам;

• истинная путевая скорость ЛА равна 200 м/с;

• угол наклона второго фоточувствительного приемника равно 45 градусам;

• шаг между измерениями равен 0,01 секунде.

О 210 <- 208

^ 206 л

о 204 | 202 " 200

Рис. 5.

Где: - путевая скорость.

На рис. 5, представлен результат моделирования. Путевая скорость определялась без учета ускорения. Для определения скорости

использовалось выражение Ц' = ——. 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. 5 представлен результат моделирования с учетом ускорения.

—•—Алгоритм без учета ускорения Истинная скорость

0 200 400 600 Ы

Рис. 6.

Где: XV- путевая скорость.

Как видно из рис. б данный метод с учетом ускорения позволяет точнее определить путевую скорость летательного аппарата. Погрешность определения в данном случае не превышало 0,47 м/с.

Так же в четвертой главе диссертационной работы представлен стенд полунатурного моделирования. О писан алгоритм функционирования стенда полунатурного моделирования.

По результатам работы математического и полунатурного моделирования выявлены влияния 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:

• с постоянной скоростью;

• с ускорением.

Заключение и общие выводы

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

Комплексная модель включает в себя:

- модель движения летательного аппарата;

- модель измерительной системы;

- модель системы управления.

Разработанные модели позволили оценить точность определения путевой скорости летательного аппарата.

2. Разработана модель и алгоритм определения путевой скорости летательного аппарата. Алгоритм заключается в вычислении корреляции двух фрагментов изображений получаемых с фоточувствительных приемников, жестко закрепленных на борту летательного аппарата. Вычисление корреляции позволяет определить время, за которое область поверхности фиксировало первое, а затем второе фоточувствительное устройство. Зная время и пройденное расстояние, которое можно получить из ИНС, можно вычислить путевую скорость летательного аппарата.

3. Проведено моделирование, позволившее установить:

• Влияние конструктивных параметров фоточувствительного приемника на точность определения путевой скорости;

• Влияние движения с ускорением летательного аппарата на погрешность определения путевой скорости.

4. Предлагаемый алгоритм принят к внедрению в перспективную ОЭС.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Костюков В.В., Кутаранов А.Х., Павлова Н.В., Фролов М.Д. Программно-алгоритмическое обеспечение для эмулирования навигационной аппаратуры и обеспечения ее взаимодействия с БЦВМ «Багет»./ Труды XII международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», МЭИ, Алушта, 2003г.

2. Корнеев С.А., Кутаранов А.Х., Павлова Н.В., Щеглов IO.B. Программно-аппаратная поддержка проектирования цифровых устройств ИВК на базе ПЛИС ALETRA. Труды X международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматизации и обработки информации», Алушта, 2001г.

3. Кутаранов А.Х., Фролов М.Д. Определение путевой скорости на базе сравнения двух цифровых изображений. Труды XV международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматизации и обработки информации», МИФИ, Алушта, 2006 г.

4. Кутаранов А.Х., Павлова Н.В., Фролов М.Д. Влияние сжатия изображения на распознавание образов. Труды XV международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматизации и обработки информации», МИФИ, Алушта, 2006 г.

5. Костюков В.В, Кутаранов А.Х., Павлова Н.В., Фролов М.Д. Определение путевой скорости с помощью оптикоэлектронной системы. Труды XIII международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматизации и обработки информации», МГУ, Алушта, 2004 г.

6. Кутаранов А.Х. Повышение устойчивости корреляционного поиска идентичных фрагментов на изображениях.4-я международная конференция «авиация и космонавтика», МАИ, 2005 г.

7. Кутаранов А.Х. Электронная стабилизация изображений/ Вопр. оборон. Техники. Сер. 9. Специальные системы управления, следящие приводы и их элементы. - 2004 г.

8. Костюков В.В. Кутаранов А.Х., Павлова Н.В., Фролов М.Д. Программно-алгоритмическое обеспечение для эмулирования навигационной аппаратуры и обеспечения ее взаимодействия с БЦВМ «Багет»./ Проблемы создание перспективной авиационной техники, МАИ, 2003 г.

9. Костюков В.М., Кутаранов А.Х. Определения путевой скорости помощью оптико-электронной системы. «Мехатроника, автоматизация, управление», Москва, №4(85) 2008г.

Множительный центр МАИ

Зак^ от22,OSZ008 г. Тир. экз.