CC BY
34
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА
ИНФОРМАЦИИ
УДК 629.052.9
МОДЕРНИЗАЦИЯ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ПОЛУНАТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЦВЕТНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ КОРРЕЛЯЦИОННО-ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ И НАВЕДЕНИЯ
В.В. Щербинин, Г. А. Кветкин, А.В. Пущин, Е.В. Шевцова
Рассматриваются результаты опытной эксплуатации программно-аппаратного комплекса. Описаны основные особенности его функционирования, а также предложенные варианты его модернизации для преодоления трудностей, проявившихся при натурных испытаниях.
Ключевые слова: КЭСНН, корреляционно-экстремальные системы навигации, квадрокоптер, эталонные изображения, фототопография.
В статье [1] был описан программно-аппаратный комплекс (ПАК), состоящий из квадрокоптера с гиростабилизированной камерой и соответствующего программно-математического обеспечения, на базе которого удалось обеспечить устойчивый полет и получить исходные данные для изготовления эталонных изображений, а также была отработана технология «склейки» отдельных фотоснимков и создания ортофотоплана на базе результатов тестового полета. В данной статье приводятся результаты функционирования данного ПАК, а также описан процесс его модернизации на основе опытной эксплуатации.
Подбор камеры на основе результатов теоретических исследований
Изготовление и хранение фотоснимков подстилающей поверхности с помощью выбранной на предыдущем этапе (в 2016 году) камеры «Go-ProHero4» возможны только в формате со сжатием по алгоритму «jpeg». Однако проведенные исследования [2] показали, что не известные потребителю методы сжатия изображений значительно искажают цветовую картину, что, в свою очередь, не позволяет эффективно применять алгоритмы корреляционной обработки.
Таким образом, использование камеры «ОоРгоНего4» оказалось невозможным, поэтому был проведен анализ рынка малогабаритных камер, обеспечивающих запись данных с фоточувствительной матрицы в наиболее «сыром» виде (т.е. с минимальной предварительной обработкой). С учетом того, что требовалось установить данную камеру в имеющийся ги-ростабилизированный подвес «Ша1кегаО-3БН», выбор свелся к единственной доступной камере «Х1ао1шУЪ>, изображенной на рис. 1.
Рис. 1. Фото-видеокамера «XiaomiYi» Основные характеристики фото-видеокамеры XiaomiYi:
поле зрения объектива.....................................155°;
фокусное расстояние объектива.......................2,8 мм;
датчик изображения CMOS 1/2.3"................16 Мпикс;
процессор.......................................AmbarellaA7LS;
габариты.......................................60,4x42x21,2 мм;
Масса с батареей..............................................72 г.
Тем не менее, при реализации режима записи фотографий в «сыром» формате пришлось существенно увеличить интервал между кадрами (до 6 с) ввиду ограничений скорости сохранения фотографий на записывающее устройство камеры. Подобный режим съемки потребовал существенного переосмысления и модернизации комплекса, в первую очередь, алгоритмов САУ БПЛА для реализации специального режима автоматического движения БПЛА - удержание заданного положения («висение»).
Модернизация программного обеспечения (ПО) для ПАК цветной оптической КЭСНН
В ходе работы над ПО была проведена следующая модернизация: - темп работы основного цикла программы был увеличен с 250 до 2500 Гц, что обеспечило более широкую полосу пропускания системы для парирования внешних возмущений;
- разработан и реализован алгоритм перевода сигнала РРМ-Р^М, что позволило освободить дополнительные каналы на плате (для приемника команд радиоуправления);
- оптимизирован алгоритм работы класса телеметрии для обеспечения возможности отправлять телеметрическую информацию посредством любого из СОМ-портов платы, обеспечена возможность параллельного выбора приоритетов и очередей отправки сообщений, что, в свою очередь, дало возможность отправки сообщений с различной частотой (1, 5, 10, 25, 50 Гц и др.);
- реализована регистрация параметров системы на накопитель.
Особенности натурных испытаний элементов ПАК
После проведения серии полетов в ручном режиме предстояло настроить алгоритмы САУ на автоматическую работу. Взлет и посадка осуществляются оператором, а среди требуемых автоматизированных режимов можно выделить:
- удержание заданной высоты;
- движение с заданной скоростью;
- движение из текущей точки в заданную;
- возвращение в исходную точку при потере связи с НСУ;
- движение по заданному маршруту.
Для реализации описанных режимов необходимо осуществить настройку ПИД-регуляторов, которые связывают информацию от датчиков первичной информации с исполнительными элементами - регуляторами оборотов электродвигателей квадрокоптера. Теоретическая основа такой настройки известна, однако на практике подбор коэффициентов представляет собой задачу многокритериальной оптимизации случайного нестационарного процесса. Сложность обеспечения устойчивости квадрокоптера в автоматическом полете может иметь в своей основе следующие причины:
- узкая полоса пропускания встроенных инерциальных датчиков (т.е. датчики встроенного БЧЭ (1МИ) не позволяют с достаточной точностью в заданный интервал времени определить абсолютные скорости ЛА);
- недостаточное быстродействие алгоритма определения пространственного положения ЛА.
В целом, данные причины обусловливают запаздывание идентификации движения ЛА относительно истинного движения, т.е. вносят нелинейные эффекты в контур автоматического управления. Поэтому по итогам анализа ситуации с целью проведения испытаний в сжатые сроки было принято использовать покупную систему управления БПЛА мультиротор-ного типа А11-1п «АРМ Pixhawk». Такое решение позволило исключить из технологического процесса процедуру настройки ПИД-регуляторов.
5
Рис. 2. Внешний вид САУ «Pixhawk»
Основные характеристики САУ «Pixhawk»:
- процессор (дублированный): 168 MHzCortexM4FCPU (256 KBRAM, 2 MBFlash);
- датчики первичной информации: трехосный акселерометр, трехосный датчик угловой скорости, трехосный магнитометр и бароальтиметр:
- встроенные системы контроля безопасности;
- разъемы/интерфейсы: microSD slot, 5 UARTs, CAN, I2C, SPI, ADC. Подбор объектива для фотокамеры с минимальными искажениями.
При дальнейшем анализе исходных фотоматериалов было выявлено, что использование штатного широкоугольного объектива типа «рыбий глаз» вносит недопустимые искажения объектов на снимках, обусловленные бочкообразной дисторсией, и приводит к необходимости использования лишь центральной части фотоснимка.
Рис. 3. Искажения, вносимые штатным объективом камеры
Более наглядно проблема нелинейных искажений может быть продемонстрирована фотоснимком специальной цветной миры (рис. 4).
6
Рис. 4. Искажения фотоснимка цветной миры
Для минимизации влияния геометрических искажений было принято решение об использовании специального объектива с углом зрения порядка 60 градусов вместо 90.. .120 градусов. После установки такого объектива была проведена верификация его горизонтального угла поля зрения, которая показала, что реальный угол зрения составил порядка 71 градус (рис. 5).
Рис. 5. Результат верификации поля зрения камеры с установленным
объективом
Использование БПЛА самолетного типа
Для охвата существенных областей подстилающей поверхности требуется значительная энергоемкость БПЛА. Проблема особенно актуальна для БПЛА мультироторного типа, а также в зимнее время года, когда эффективная емкость литиево-полимерных батарей резко падает.
7
Для решения данной проблемы была предпринята попытка использования БПЛА самолетного типа на базе модели «8куШа1кег» (рис. 6). При равных емкостях батарейного блока (5000 мА-ч) длительность полета на БПЛА самолетного типа достигает 50 минут, а на квадрокоптере - 15 минут. При понижении температуры окружающего воздуха до -5 °С, время полета снижается вдвое: до 25 и 7,5 мин, соответственно.
Для реализации в экспериментах преимуществ БПЛА самолетного типа был дополнительно разработан программно-аппаратный комплекс на базе БПЛА «8куШа1кег».
Технические характеристики БПЛА «8к^а1кег 1880»:
размах крыла........................................................1880 мм;
длина фюзеляжа....................................................1500мм;
грузоподъемность...................................................до 2 кг;
продолжительность полета с батареями 5000 мА-ч (45...50) мин; шасси отсутствуют.
Полеты на БПЛА самолетного типа были выполнены при отрицательной температуре окружающего воздуха. При этом удалось обеспечить длительную работу комплекса на одной батарее, однако отсутствие гиро-стабилизированного подвеса в БПЛА самолетного типа повлекло за собой появление искажений фотоснимков (рис. 7) вследствие угловых вибраций фюзеляжа в потоках набегающего воздуха. Послеполетный анализ показал, что искажения наблюдаются на 70 % от общего числа фотографий.
После анализа результатов проделанных полетов на разных типах ЛА было принято решение вернуться к использованию БПЛА мультиро-торного типа (рис. 8), обеспечивая при этом запас готовых батарей и доступный механизм их оперативной замены.
Рис. 6. БПЛА «SkyWalker 1880». Установка камеры
Рис. 7. Искажения фотоснимков при использовании БПЛА самолетного
типа
Рис. 8. Проведение испытаний ПАК цветной оптической КЭСНН
В результате модернизации ПАК были получены снимки отдельного участка местности в различные сезоны - осенью и зимой и выполнена их «склейка», результаты которой представлены на рис. 9.
Рис. 9. Полученные фрагменты ортофотопланов местности в различные сезоны: а - позднее лето; б - зима
9
Заключение
В результате опытной эксплуатации ПАК был выявлен ряд трудностей, сопряженных с особенностями реальных систем: настройка устойчивого полета квадрокоптера, получение изображений с минимальными искажениями, обеспечение длительного полета в различных погодных условиях и пр. В ходе работы были предложены варианты преодоления данных трудностей, реализация которых позволила модернизировать ПАК, ввести его в эксплуатацию для экспериментальной проверки алгоритмов КЭСНН и ее основных характеристик.
Список литературы
1. Разработка программно-аппаратного комплекса полунатурного моделирования функционирования цветной оптической корреляционно-экстремальной системы навигации и наведения / В.В. Щербинин, Г.А. Кветкин, А.В. Пущин, А. А. Скибин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 11. Ч. 3. С. 75 - 85.
2. Линеаризация функции преобразования цифрового цветного фотоаппарата для обработки изображений цветной оптической КЭСН / В.В. Щербинин, Г. А. Кветкин, А.В. Пущин, Е.В. Шевцова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 3 С. 54
- 64.
3. Щербинин В.В. Построение инвариантных корреляционно-экстремальных систем навигации и наведения летательных аппаратов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 230 с.
4. Методы и алгоритмы функционирования цветной оптической корреляционно-экстремальной системы навигации летательных аппаратов / В.В. Щербинин, Е.В. Шевцова, Ю.С. Васильева, О.М. Чижевская // Гиро-скопия и навигация. 2012. Вып. 4 (79). С. 34 - 49.
5. Сравнительная оценка точностных характеристик цветных и монохромных оптических КЭСНН ЛА / В.В. Щербинин, Г.А. Кветкин, И.О. Дегтярев, Е.В. Шевцова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 11. Ч. 2. С. 3 - 18.
6. Щербинин В.В., Васильева Ю.С., Шевцова Е.В. Предварительные результаты оценки сезонной стабильности информативного параметра цветной оптической КЭСНН ЛА / // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 11. Ч. 2. С. 19 - 27.
7. Исследование характеристик цветной корреляционно-экстремальной системы навигации и наведения летательного аппарата / В.В. Щербинин, Г. А. Кветкин, И.О. Дегтярев, Е.В. Шевцова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 6. С. 103 - 113.
8. Предварительные результаты оценки влияния геометрических искажений на точностные характеристики цветной оптической КЭСНН ЛА / В.В. Щербинин, Ю.С. Васильева, А.В. Шевцов, Е.В. Шевцова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 6. С. 142 - 147.
Щербинин Виктор Викторович, д-р техн. наук, нач. научно-технического отд., cniiagacniiag.ru, Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Кветкин Георгий Алексеевич, канд. техн. наук, нач. лаборатории, cniiagacniiag.ru, Россия, Москва, АО ««Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Пущин Алексей Викторович, инж., cniiag@cniiag.ru, Россия, Москва, АО « Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Шевцова Екатерина Викторовна, канд. техн. наук, доц. catrin victoramail. ru, Россия, Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана
MODERNIZATION OF THE HARDWARE AND SOFTWARE SUITE FOR SEMI-NATURAL MODELING OF FUNCTIONING OF A COLOR-VISION BASED CORRELA TION-EXTREME AIRCRAFT NA VIGA TION SYSTEM
V. V. Scherbinin, G.A. Kvetkin, A. V. Pushchin, E. V. Shevtsova
The results of experimental exploitation of the hardware and software suite are considered, the main features of its functioning are described and the proposed options of its modernization for resolving the problems that became apparent during practical tests are presented.
Key words: CENS, correlation-extreme aircraft navigation systems, quadcopter, reference images, phototopography.
Scherbinin Victor Victorovich, doctor of technical sciences, head of research department, cniiagacniiag. ru, Russia, Moscow, JSC "Central Research Institute for Automatics and Hydraulics ",
Kvetkin Georgy Alekseevich, candidate of technical sciences, head of laboratory, cniiaga cniiag. ru, Russia, Moscow, JSC "Central Research Institute for Automatics and Hydraulics ",
Pushchin Alexey Victorovich, engineer, cniiagacniiag. ru, Russia, Moscow, JSC "Central Research Institute for Automatics and Hydraulics",
Shevtsova Ekaterina Viktorovna, candidate of technical sciences, docent, catrin victor a mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Bauman 's State Technical University
