автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Управление креном летательного аппарата на основе обработки видеоинформации

Для служебного пользования Экз № В

На правах рукописи

ПАЛКИН МАКСИМ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ КРЕНОМ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА НА ОСНОВЕ ОБРАБОТКИ

(на примере аэробаллистического летательного аппарата с оптической ГСН)

Специальность 05 13 01 Системный анализ, управление и обработка информации

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ВИДЕОИНФОРМАЦИИ

□□згеето!

Москва-2008

003166701

Работа выполнена в ОАО «Военно-промышленная корпорация «Научно-производственное объединение машиностроения»

Научный руководитель Кандидат технических наук, доцент

Евстифеев Валентин Васильевич

Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор

Литовченко Цезарий Григорьевич

Кандидат технических наук Шатский Михаил Александрович

Ведущая организация ОАО «Корпорация «Тактическое

ракетное вооружение»

Защита состоится « час мин

на заседании диссертационного совета Д 21214102 при

Московском государственном техническом университете им Н Э Баумана по адресу 105005, Москва, 2-я Бауманская ул , д 5

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим высылать по адресу 105005, г Москва, 2-я Бауманская ул , д 5, МГТУ им Н Э Баумана, ученому секретарю совета Д 212 141 02, ауд 613 М

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им Н Э Баумана

Автореферат разослан « ^ » ЛМХ^г* 12008 г

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент гт/'Х^^ Иванов В А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

При разработке/модернизации беспилотных летательных аппаратов (ЛА) с системой получения и обработки видеоинформации на борту рассматриваемая система может быть дополнительно использована для определения параметров углового положения ЛА Такой подход позволяет оптимизировать (минимизировать) состав аппаратуры системы управления либо обеспечить дополнительное резервирование без расширения состава бортового оборудования

В качестве примера можно привести аэробаллистический ЛА [2], в состав системы управления которого входят бортовой вычислительный комплекс (БВК), оптическая головка самонаведения (ГСН) с широкоугольным матричным приемником излучения, свободный гироскоп (СГ) системы стабилизации угла крена Стремительное развитие матричных технологий приема и обработки сигналов, рост производительности и удешевление цифровой вычислительной техники делают актуальным исследование вопроса использования оптического канала ГСН (далее - ГСН) в качестве основного либо резервного датчика крена такого ЛА Состояние вопроса.

Использование оптических датчиков для определения углового положения ЛА практикуется достаточно широко [1] Примером является задача построения местной вертикали в системах ориентации космических аппаратов (КА), основанная на слежении за собственным ИК-излучением Земли Разработаны способы построения системы координат КА в инерциальном пространстве путем поиска в перпендикулярных плоскостях характерных реперных звезд Известны способы использования оптических маяков и характерных техногенных сооружений для ориентации атмосферных летательных аппаратов

Во всех указанных случаях датчиками углового положения ЛА являются специализированные узкоугольные приемники излучения, а в качестве ориентиров используются априори определенные на траектории полета ЛА объекты, обладающие достаточным уровнем наблюдаемости

Указанные особенности ограничивают или исключают применение существующих способов ориентации в задаче определения крена летательного аппарата, не «привязанного» к заранее определенным условиям пуска Необходимость разработки способов определения крена, функционирующих при различных информативных свойствах местности, в условиях изменяющейся в процессе полета ЛА наблюдаемой обстановки, становится актуальной научно-технической проблемой, от решения которой зависит возможность создания системы стабилизации ЛА с ГСН в качестве датчика крена и ее работоспособность

Целью диссертационной работы является исследование возможности и целесообразности использования штатного оптического канала получения и обработки видеоинформации планово-перспективного визирования с широкоугольным матричным приемником излучения для определения крена ЛА (на примере аэробаллистического ЛА с оптической ГСН)

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие основные задачи:

1. Разработать и исследовать способы определения угла крена ЛА по наблюдаемому изображению, на этой основе разработать алгоритмы обработки видеоинформации и определения параметров крена ЛА.

2 Исследовать зависимость точности определения угла крена от информативных свойств наблюдаемого изображения, условий визирования Оценить потенциально достижимую точность определения угла крена по наблюдаемому изображению Исследовать основные факторы, влияющие на надежность нахождения/сопровождения ориентиров

3 Провести синтез системы стабилизации крена ЛА с ГСН в качестве датчика Определить требования к основным параметрам аппаратуры системы стабилизации Получить оценки временных и точностных показателей работы системы по результатам моделирования

4. Провести сравнение основных показателей работы ГСН и свободного гироскопа в качестве датчиков угла крена Выдать рекомендации о применимости штатного оптического канала получения и обработки видеоинформации в системе стабилизации ЛА по крену

Методы исследований. Проведенные в диссертационной работе разработки и исследования базируются на использовании современных методов обработки и анализа изображений, математической логики, математической статистики, теории линейных дискретных и непрерывных систем автоматического управления, с широким применением математического моделирования

Научная новизна. К числу новых научных результатов относятся 1. Разработка способа определения угла крена ЛА по ориентирам «небо/земля», способа определения угла крена ЛА по наблюдаемым ориентирам подстилающей поверхности. Разработка на основе предложенных способов алгоритмов обработки видеоинформации.

2 Оценка точности определения угла крена для каждого из указанных способов, оценка основных факторов, влияющих на точность измерений Результаты исследования основных факторов, влияющих на надежность нахождения/сопровождения ориентиров

3 Вывод аналитических выражений для расчета угла крена ЛА по каждому из способов

4 Результаты исследования работы алгоритмов обработки видеоинформации в системе стабилизации ЛА по крену

5 Рекомендации по применению штатного оптического канала с матричным приемником оптического излучения в качестве датчика крена JIA

Практическая ценность работы заключается в том, что штатные оптические каналы ГСН приобретают дополнительную функцию резервного средства определения крена ЛА

Для некоторых типов аэробаллистических летательных аппаратов [2] разработанные способы и алгоритмы позволяют исключить гироскопические датчики крена, минимизировав тем самым состав бортового оборудования и уменьшив стоимость ЛА

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы в тематических работах ОАО «ВПК «НПО машиностроения» в части разработки систем управления комплексов аэробаллистических ЛА Предложенный порядок синтеза системы стабилизации крена ЛА использован в учебном процессе МГТУ им НЭ Баумана

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ряде конференций*

1) Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии», г Реутов, 2003 г

2) Научно-технической конференции ФГУП «НПЦ АП им Академика Н А Пилюгина», г. Москва, 2005 г,

3) Международном симпозиуме «Образование через науку», Москва, 2005 г

4) Седьмом международном симпозиуме «Интеллектуальные системы», г Краснодар, 2006 г

5) Международной научно-технической конференции «Чкаловские чтения», г Егорьевск, 2007 г

Публикации. По материалам диссертационной работы получен патент Российской Федерации и опубликовано 6 научных работ, из них в изданиях, входящих в «Перечень ведущих рецензируемых журналов » -1

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения Общий объем 123 страницы, в том числе 36 рисунков и 10 таблиц

Основные положения, выносимые на защиту: 1 Управление креном аэробаллистического ЛА может проводиться с использованием способа определения угла крена по ориентирам «небо/земля», способа определения угла крена по наблюдаемым ориентирам подстилающей поверхности, и основанных на этих способах алгоритмах обработки видеоинформации и определения крена 2. Исходным параметром для работы алгоритмов является время появления в поле зрения оптического датчика линии горизонта Прогнозируемое значение времени определяется до старта на основе расчета параметров баллистической траектории полета ЛА. 3 Основными факторами, определяющими точность определения угла крена по ориентирам «небо/земля», являются размытость линии границы

«небо/земля», уровень флуктуационного шума матричного приемника, отношение значений частоты «закрутки» ЛА по крену и частоты обработки кадров Основным фактором, определяющим надежность нахождения и сопровождения ориентиров, является величина контраста областей неба и земли, пороговое значение которой составляет 1,2 1,5 4 При работе по ориентирам подстилающей поверхности, с учетом неопределенности яркостно-геометрических характеристик объектов, целесообразно выбирать контрастные объекты - пятна яркости Надежность нахождения/сопровождения ориентиров и точность определения угла крена в этом случае зависят от количества, размеров и контраста ориентиров 5. В качестве главного параметра при расчете крена ЛА выбирается яркостно-геометрический «центр тяжести» каждого ориентира Предельная точность определения угла крена алгоритмами в случае штатных условий применения ЛА составляет 1 3 градуса 6 Применение оптического канала в качестве штатного датчика системы стабилизации крена целесообразно для баллистических, аэробаллистических ЛА (в том числе, самонаводящихся снарядов, боевых блоков), допускающих пониженную (на уровне ± 3 град) точность стабилизации угла крена. Для традиционных ЛА применение оптического канала целесообразно в качестве резерва штатных гироскопических датчиков крена

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и важность темы диссертационной работы, для чего проведен анализ современных тенденций в области разработки автоматических беспилотных летательных аппаратов Приведены типы ЛА, на которые ориентированы результаты работы Определены цель диссертационной работы и методы проведения исследований, представлены полученные в ходе выполнения работы основные научные результаты Показана практическая значимость работы, указывается объем публикаций.

В первой главе исследованы особенности построения и функционирования системы стабилизации крена

аэробаллистического/баллистического ЛА по информации от оптической ГСН Отличительными особенностями данной системы стабилизации являются

- наличие двух режимов работы режима ориентации, предназначенного для ликвидации накопленной угловой скорости крена (далее - «закрутки») и угла крена ЛА, режима стабилизации ЛА по крену в области заданного полетного значения Каждый из этих режимов характеризуется своим способом

определения крена и, на его основе, алгоритмом обработки видеоинформации,

- наличие циклограммы работы, определяющей время смены режимов и задействования органов управления ЛА (рулей крена и др )

На основе проведенных исследований определены общая структура и последовательность решения задач диссертационной работы

Проведенный обзор существующих способов и алгоритмов ориентации и стабилизации ЛА по наблюдаемому изображению показал, что наиболее «простыми» для технической реализации являются алгоритмы «признакового» типа, реализующие поиск единственного и самого контрастного по сравнению с фоном ориентира, без формирования на борту ЛА текущего изображения Основным недостатком таких алгоритмов является их низкая помехозащищенность, и, как следствие, ограниченная применимость при использовании наземных ориентиров

Более эффективными являются алгоритмы, в которых формируемое в полете текущее изображение подстилающей поверхности сравнивается с заранее заготовленным эталонным Являясь более помехозащищенными при сопровождении слабоконтрастных целей, такие алгоритмы также обладают рядом недостатков, а именно более жесткими требованиями к скорости обработки информации в бортовом вычислительном комплексе, повышенными требованиями к системе подготовки полетного задания (ПЗ) для работы в условиях сложной фоноцелевой обстановки В результате показана необходимость разработки «компромиссных» алгоритмов анализа наблюдаемого изображения, учитывающих особенности траектории полета ЛА, характеризующихся отсутствием необходимости подготовки ПЗ с эталонами наблюдаемого изображения, а также совмещающих простоту алгоритмов «признакового» типа с возможностью работы по наземным контрастным ориентирам

Вторая и третья главы посвящены разработке способов и алгоритмов определения крена ЛА по наблюдаемому изображению

В результате исследования элементов наблюдаемого изображения, находящихся в поле зрения ГСН при полете ЛА по баллистической траектории, с позиций стабильности признаков при изменении ракурса визирования, а также информационной достаточности для определения параметров крена, разработан способ определения угла крена ЛА, использующий в качестве ориентиров небо и землю Способ применяется в задачах ориентации и стабилизации ЛА по крену (рис 1) Для задачи стабилизации крена на нисходящем участке баллистической траектории, после выхода области неба из поля зрения ГСН, предложен способ определения угла крена ЛА по наблюдаемым контрастным ориентирам подстилающей поверхности

Последов ательность кадров

Задача ориентации

(определение крена по областям «небо-земля»)

Задача стабилизации

(определение

крена по областям «небо-земля», тт . по

ориентирам подстилающей поверхности)

ориентиры

Определение яркости неба

Определение крена ЛА по расположению областей неба и земли на изображении

Положение областей неба и земли при стабилизации угла крена в окрестности нулевого значения

Ф ор мир ов ание наб ор а ориентир ов подстилающей поверхности при нулевом (требуемом) значении угла крена ЛА

Определение изменении крена ЛА. по характеру перемещения ориентиров на изображении

Рис. 1. Определение крена Л А по наблюдаемому изображению При покадровом получении информации с матричного приемника способ определения угла крена по ориентирам «небо/земля» позволяет выделить на кадре небо и землю по разнице их яркостей. Согласно предлагаемому способу, информация о яркости неба формируется при нахождении в поле зрения ГСН области неба [2]. Далее, в момент прогнозируемого появления в поле зрения ГСН линии горизонта, на основе информации о яркости неба осуществляется поиск на кадрах ГСН области земли и определение угла крена ЛА. Крен ЛА пропорционален угловому отклонению линии, соединяющей геометрические «центры тяжести» областей «небо/земля» относительно характерного столбца матричного приемника (рис. 1). В частности, стабилизация угла крена в области нулевого значения обеспечивается разворотом ЛА до расположения неба в верхней

части матричного приемника, земли - в нижней Так как матричный приемник жестко соединен с корпусом JIA в канале крена, такое расположение ориентиров обеспечивает совмещение вертикальных осей связанной системы координат ЛА и земной системы координат и, как следствие, близкое к нулю значение угла крена

Во второй главе, на основе способа определения угла крена по ориентирам «небо/земля» и циклограммы работы системы стабилизации JIA разработан алгоритм обработки получаемой видеоинформации

Алгоритм содержит процедуры определения яркости неба, локализации области земли, определения параметров крена ЛА

Процедура определения яркости неба построена на основе метода гистограммного анализа яркости кадров Информация о яркости неба, в виде вектора S] максимальных частот появления пикселов из диапазона яркости ГСН, в соответствии с (1), сохраняется в памяти БВК.

S'^[s,(J)7Г+'. s,(J) = ntaxfs/JJ^JJ)). J е [0,J_] (1) где [0,Jmax] - диапазон значений яркости, определяемый ГСН, S't - вектор, определяющая максимальные значения частот появления пикселов из диапазона яркости [0,Jmat ], s/J) - частота появления пикселов яркости J, на изображении с 7-го кадра (последнего кадра перед появлением в поле зрения ГСН земли), sh,(J) - максимальная частота появления пикселов яркости Уна 1 j-1 кадрах.

Процедура локализации земли на кадре построена с использованием методов гистограммного и морфологического анализа изображения. При обработке кадра, полученного в момент прогнозируемого появления в поле зрения ГСН области земли, гистограмма яркости кадра сравнивается с сохраненной в виде вектора S) гистограммой яркости неба При нахождении

в результате сравнения на гистограмме текущего кадра области яркости Е которая может соответствовать яркости земли, проводится формирование бинарного изображения(2)

il ,npuJ(t,j)eE

(О, при J{i, j) g Е

где пикселам с яркостью земли присвоено единичное значение, остальным -нулевое В результате морфологического анализа бинарного изображения принимается гипотеза о нахождении земли, при этом землей считается область, обладающая признаками связности, нахождения на границе матричного приемника, максимальной величиной коэффициента выпуклости

(3)

* = (3)

лвм

где S0 - количество пикселов в области, SBM - количество пикселов выпуклого многоугольника, в который вписана область

Подтверждение гипотезы локализации земли проводится методом «кворум-элементов» - путем обработки еще нескольких кадров и нахождения геометрического «центра тяжести» области земли в определенных секторах матричного приемника Величина сектора Ау рассчитывается по формулам (4), полученным в результате исследования особенностей «закрутки» рассматриваемых типов ЛА по крену

Ау = Г1 +360 •/га"х

/я-,

Д-БВК

/

^ та

- < 0,45,

/

|/ та

К Ро

(4)

/д-свн IД-БВК 360 пм_

где у,, град - угол поворота линии, соединяющей «центры тяжести» областей «небо-земля», относительно вертикальной оси на первом кадре, Ау, град -величина углового сектора прогнозируемого положения «центра тяжести» «земли» на следующем кадре, откладывается от текущего положения линии в направлении вращения ЛА; /„,„, Гц - максимальная частота начальной «закрутки» ЛА по крену, /Д_ЕМ, Гц - частота обработки в БВК кадров, Д; -угол обзора ГСН в боковой плоскости, пмп - количество столбцов матричного приемника ГСН, кг - коэффициент запаса, к^=2 4 Второе и третье выражения определяют ограничения на отношение частот /мх и /Д_БМ «сверху» и «снизу»

Процедура определения параметров крена по расположению областей неба и земли на плоскости матричного приемника, в соответствии с формулами (5), определяет угол крена Л А, и, на его основе, при необходимости, другие параметры крена

.л-л

\у\ = агсГ£

К-К

при1ч <1,,

\у\ = Иа0 -аг^——— знак- эщп О,- Jн),

, пршн >/,,

(5)

Хл»

I, =-

.л

— **'

1LJ»k

•.л = ■

где п3 -области области пиксела «центра столбца

п, пн

количество элементов области земли, п„ — количество элементов неба, (¡-¡к, — соответственно номера строки и столбца к-го пиксела земли, (¡ж ]Ик) - соответственно номера строки и столбца к-го области неба, (ь,)^ - соответственно номера строки и столбца тяжести» области земли, (1„ ],) - соответственно номера строки и «центра тяжести» области неба Нумерация строк производится

против принятого направления оси Оу/ связанной системы координат ЛА, нумерация столбцов - слева направо

Достоинствами предложенного способа определения угла крена по ориентирам «небо/земля» и алгоритма обработки видеоинформации его основе являются

- отсутствие необходимости предварительного ввода в систему стабилизации какой-либо информации об ориентирах в районе применения ЛА,

- инвариантность к месту начального расположения области «земля» на плоскости матричного приемника.

Третья глава посвящена задаче определения угла крена аэробаллистического/баллистического ЛА по наблюдаемому изображению на нисходящем участке баллистической траектории, после выхода из поля зрения ГСН области неба Для определения угла крена в этом случае используются контрастные ориентиры (яркие пятна или контурные линии) на подстилающей поверхности С учетом особенностей применения ЛА в качестве ориентиров могут выбираться любые объекты с постоянной и случайной формой (например, озера, здания, дымы и другие), присутствующие в текущем изображении

Определение угла крена ЛА проводится на основе предлагаемого способа [1], согласно которому при планово-перспективном визировании подстилающей поверхности широкоугольным матричным приемником (на котором строки размещают перпендикулярно, а столбцы - параллельно вертикальной плоскости связанной системы координат ЛА) изменение угла крена ЛА пропорционально величине перемещения «центров тяжести» группы наблюдаемых ориентиров по столбцам матричного приемника

На основе предложенного способа определения угла крена ЛА разработан алгоритм обработки видеоинформации

Алгоритм начинает работу после завершения процессов ориентации и стабилизации ЛА по ориентирам «небо/земля», при отношении площади земли 5, на кадре к площади матричного приемника п, равном

и проводит определение угла крена ЛА путем вычисления функции корреляции ориентиров на текущем кадре и предыдущем кадрах ГСН

Анализ существующих вариантов корреляционных алгоритмов обработки кадров показал, что большинство из них ориентированы на обработку кадров, имеющих плоскопараллельный сдвиг Для аэробаллистического ЛА требуется алгоритм, адаптивный к перемасштабированию и повороту кадра Такой алгоритм построен с использованием структурных методов обработки кадра, выделяющих синтаксические признаки кадра (характерные линии определенной формы, пятна яркости и т п), используемые в качестве ориентиров

Разработанный с использованием структурных методов алгоритм

включает процедуры

- формирования и пополнения набора ориентиров,

- локализации ориентиров,

- определения параметров крена ЛА

Процедура формирования набора ориентиров проводит выделение на первом полученном кадре контрастных пятен или линий, выбор среди них ориентиров по критериям связности, размера, несоприкосновения с границами кадра, сохранение в памяти БВК вектора параметров ориентиров

На последующих кадрах локализация сохраненных в памяти БВК ориентиров проводится в результате вычисления функции соответствия параметров каждого из ориентиров текущего кадра с параметрами каждого ориентира предыдущего кадра При выходе части ориентиров из поля зрения ГСН осуществляется пополнение набора ориентиров Изменение угла крена ЛА определяют по формулам.

а -,

и

•¿г/,к, о ¡-л), *-А.

где Ау'ч — изменение угла крена ЛА, определенное на основе ориентира с номером п — общее количество ориентиров, / - номер столбца ориентира с номером 5 в момент времени у* - номер столбца ориентира с номером 5 в момент времени /„ к - технологический коэффициент, определяющий соотношение между величиной угла крена и перемещением по столбцам изображения визируемого ориентира на матричном приемнике, ка1- коэффициент номера строки ориентира, определяющий положение ориентира относительно оси Ох/ ЛА

Достоинствами алгоритма являются

- отсутствие необходимости предварительного ввода в систему стабилизации крена какой-либо информации об ориентирах в районе применения ЛА,

- возможность использования ориентиров с нестационарными параметрами,

- устойчивость к сбою при ненахождении части ориентиров (в случае одновременного использования двух и более ориентиров),

- возможность определения параметров крена ЛА по двум последовательно полученным кадрам

Четвертая глава посвящена исследованию предложенных способов определения крена ЛА по наблюдаемому изображению для задач ориентации и стабилизации ЛА по крену

Исследование проводилось в 2 этапа

На первом этапе путем математического и полунатурного моделирования исследовались основные характеристики алгоритмов обработки видеоинформации, разработанных на основе предложенных способов В качестве тестовых примеров применялись модели наблюдаемого изображения и реальные кадры, полученные с установленных на вертолете Ми-8 ГСН инфракрасного и видимого диапазонов

Результаты исследования точности алгоритма обработки видеоинформации по ориентирам «небо/земля» показали, что ошибка в определении угла крена зависит от соотношения частоты начальной «закрутки» ЛА по крену и времени экспозиции кадра, уровня флуктуационного шума матричного приемника При уменьшении угловой скорости крена ЛА ошибка определения угла крена уменьшается, достигая в пределе величины 1. .2 град Основной и критичной к точности ориентации ЛА является случайная ошибка от частичной засветки матричного приемника, размытости линии разделения областей ориентиров, способная в наихудших случаях превысить максимально допустимое для конкретного типа ЛА значение

Параметрами, определяющими надежность нахождения области земли, являются отношение средних яркостей неба и земли и величина сектора поиска земли на плоскости матричного приемника, определяемая по выражению (4) Определенными в результате исследования условиями применения способа по ориентирам «небо/земля» являются метеорологическая дальность видимости - МДВ> 4 км, значение контраста областей «небо/земля» > 1,2

Исследование способа определения крена ЛА по ориентирам подстилающей поверхности показало, что наиболее стабильным элементом ориентиров - объектов случайной формы является «центр тяжести» пятна яркости, линия контура ориентиров менее стабильна (экспериментально зафиксированное отношение количества сбоев алгоритма по разным типам ориентиров« 1,7) Поэтому работу алгоритма обработки видеоинформации целесообразно проводить по ориентирам - пятнам яркости

Максимальная ошибка определения угла крена пропорциональна ширине ориентира и может быть оценена по следующей формуле

(6)

где Ра град - угол обзора ГСН в боковой плоскости, пмп - количество столбцов матричного приемника ГСН, п„ - среднее количество столбцов у группы одновременно используемых ориентиров Для стабилизации угла крена целесообразно использовать ориентиры величиной 3...15% от ширины матричного приемника (ошибка определения крена для ГСН с поперечным углом обзора ра=20 град соответственно 0,3 1,5 град) Использование ориентиров, занимающих более 15% столбцов матричного приемника,

повышает вероятность их распада на локально неоднородные по яркости участки при изменении ракурса визирования ГСН, что приводит к неполному захвату ориентира и увеличению ошибки определения угла крена ЛА Яркие ориентиры, занимающие менее 3% ширины матричного приемника, при моделировании часто оказывались шумовыми и внезапно исчезали

Исследования надежности алгоритма показали зависимость количества сбоев от количества, контраста и поперечных размеров ориентиров Для стабилизации рекомендуется выбирать 2 10 ориентиров - «пятен яркости», величиной 3 .15% от ширины матричного приемника, с уровнем контраста £1,3

В качестве условий применения способа определения угла крена по ориентирам подстилающей поверхности определены МДВ > 4 км, ограничение применения на однородных ландшафтах (пустыня, морская поверхность)

На втором этапе исследований проведена оценка влияния разработанных алгоритмов анализа видеоинформации на показатели работы системы стабилизации ЛА по крену Для этого использованы материалы предварительных исследований, определяющие порядок синтеза системы стабилизации ЛА с ГСН в качестве датчика крена (функциональный и структурный синтез системы; выбор основных параметров элементной базы, параметрический синтез и разработка математической модели системы стабилизации [2])

В качестве объекта стабилизации использованы модели перспективных аэробаллистических ЛА с различной массой и угловой скоростью начальной «закрутки» по крену

Функциональная схема системы стабилизации показана на рис 2

Рис. 2. Функциональная схема системы стабилизации ЛА

Вследствие покадрового получения видеоинформации система стабилизации является дискретной В результате анализа структуры системы стабилизации оказалось возможным свести исходную дискретную систему к непрерывной, что позволило использовать для параметрического синтеза системы стабилизации методы линейной ТАР

Оценка характеристик основных элементов системы стабилизации позволяет сделать вывод о возможности аппаратной реализации системы с использованием серийно производящейся элементной базы Быстродействие современных процессоров, в тч отечественного производства (например, серии «Мультикор»), позволяет проводить обработку кадров разработанными алгоритмами с частотой до 100 Гц (на матрице до 512x512)

Для проведения математического моделирования использована разработанная дискретно-непрерывная модель системы стабилизации, учитывающая время запаздывания в БВК при работе алгоритмов обработки видеоинформации, случайную ошибку определения угла крена ЛА алгоритмами вследствие флуктуации параметров ориентиров, начальные условия «закрутки» ЛА, ограничение угла поворота рулей крена ЛА, а также возмущающий момент, действующий на ЛА в канале крена

Пример переходных процессов в режимах ориентации и стабилизации ЛА приведен на рис 3

Из рис 3 видно, что в режиме ориентации, при ликвидации угловой скорости крена ЛА рули могут отклониться на максимальный угол (рис 36), при этом ЛА делает несколько оборотов по крену (рис За) В момент ликвидации угловой скорости крена угол крена ЛА составляет у» 170 град

После завершения процесса ликвидации угла и угловой скорости крена ЛА, с момента времени /«1,2с начинается режим стабилизации, максимальная ошибка угла крена при этом не превышает Ау<* 3,3 град

Исследования системы стабилизации на траекториях с различными стартовыми углами показали, что во всех случаях требуемое для ориентации ЛА время меньше времени нахождения в поле зрения ГСН линии горизонта (рис 4) Таким образом, система стабилизации успевает ликвидировать «закрутку» ЛА

Рис. 3. Переходные процессы в системе стабилизации: а) изменение угла крена, град (1 оборот = 360 градусов); б) изменение угла поворота рулей, град

Рис. 4. Реализуемое и располагаемое время ориентации ЛА: ЛА1 -аэробаллистический снаряд (масса«20 кг, начальная угловая скорость - 28 об/с); ЛА2 - аэробаллистическая ракета (масса и 3000 кг, начальная угловая скорость - 2 об/с)

В таблице 1 приведены сравнительные характеристики ГСН и свободного гироскопа в качестве датчиков крена

Таблица 1

Сравнительные характеристики ГСН и свободного гироскопа (СГ) в качестве

датчиков крена

ГСН СГ

Предельная точность, град 1 3 »0,1 0,5

Изменение точности в процессе полета ЛА не меняется ухудшается

Возможность коррекции точности без привлечения внешних систем ориентации присутствует отсутствует

Зависимость надежности работы от метеоусловий имеется отсутствует

Стоимость минимальная с учетом наличия штатного оптического канала до 15 % стоимости ЛА

Из таблицы 1 следует, что по основным техническим показателям система стабилизации крена с ГСН уступает системе с гироскопическим датчиком угла крена. Однако такие особенности гироскопических датчиков, как ухудшение точности в течение длительной работы, приводящее к необходимости использования системы коррекции, а также относительно высокая стоимость делают целесообразным применение оптического датчика для ориентации/стабилизации ЛА в следующих случаях

- в качестве резервного датчика угла крена при выходе из строя гироскопических датчиков (катастрофического ухудшения их точности в процессе полета),

в качестве основного датчика крена аэробаллистических самонаводящихся ЛА (боевых блоков), особенности применения которых допускают точность стабилизации угла крена на уровне ± 3 град

В приложении представлена информация, привлекаемая при проведении исследований, а именно результаты сравнения отечественных сигнальных процессоров с зарубежными аналогами, расчет количества операций, проводимых алгоритмами, исходные данные для расчета траекторных параметров полета ЛА, порядок выбора параметров корректирующего устройства (КУ) системы стабилизации, включающий этапы

- определение допустимого диапазона параметров КУ системы стабилизации построением области устойчивости,

- выбор параметров КУ из области устойчивости с учетом требований к качеству работы системы стабилизации с использованием ЛЧХ разомкнутой системы,

- проверка правильности выбора параметров КУ путем математического моделирования системы стабилизации ЛА

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Предложены способы определения угла крена аэробаллистического /баллистического летательного аппарата по наблюдаемому изображению, на их основе разработаны алгоритмы обработки получаемой от оптического канала видеоинформации

2 Проведена оценка точности определения угла крена на основе видеоинформации для каждого из указанных способов Представлены результаты исследования основных факторов, влияющих на надежность нахождения/сопровождения ориентиров

3 Проведен синтез системы стабилизации ЛА по крену с ГСН в качестве датчика крена, а также исследование работы алгоритмов обработки видеоинформации в системе стабилизации

4 Получены результаты сравнения работы ГСН и свободного гироскопа в качестве датчиков крена Сформулированы рекомендации по применению штатного оптического канала в качестве датчика крена ЛА

РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Патент 2280590 (РФ) Способ ориентирования по крену летательного аппарата с оптической головкой самонаведения / Палкин М В и другие // Федеральный институт патентной собственности - 2006 -Бюллетень №8

2 Евстифеев В В , Палкин М В Управление креном аэробаллистических летательных аппаратов // Вестник МГТУ Приборостроение - 2007 -№2(48) - С 56-63

3 Палкин М В Управление угловым положением летательного аппарата на основе анализа видеоинформации // Сборник докладов НТК ФГУП «ГРЦ«КБ им академика В П Макеева» -Миасс, 2007 -С 271-281

4 Кулаков А В, Палкин М В Концепция относительно недорогих систем управления с элементами искусственного интеллекта // Аэрокосмические технологии Материалы Первой международной научно-технической конференции - Реутов, 2004 - С. 248-249

5 Палкин М В Алгоритмы ориентирования некоторых типов летательных аппаратов на базе систем понимания изображений //Труды Научно-технической конференции -М,2005 - С 14-19

6 Палкин М В Способ ориентирования некоторых типов летательных аппаратов // Образование через науку Тезисы докладов международного симпозиума / МГТУ им Н Э. Баумана - М, 2005 -С 525-526

7 Палкин М В Разработка контура ориентирования по крену некоторых типов летательных аппаратов//Интеллектуальные системы Труды VII международного симпозиума - Краснодар, 2006 - С 238-239

Объем 1,0 п л Тираж 100 экз Подписано в печать 26 03 2008 г Заказ № 675

Отпечатано в типографии ОАО "ВПК "НПО машиностроения" Россия, 143966, Московская обл ,г Реутов, ул Гагарина, 33