CC BY
47
DOI 10.36622^Ти.2021.17.4.006 УДК 681.5.01
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В РЕЖИМЕ СЧИСЛЕНИЯ КООРДИНАТ С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ
Д.А. Смирнов1, В.Г. Бондарев2, А.В. Тепловодский1, А.В. Николенко2,3
Государственный лётно-испытательный центр Министерства обороны имени В.П. Чкалова,
г. Ахтубинск, Россия
2Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж, Россия 3Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: представлено обоснование использования оптико-электронной системы в качестве навигационно-измерительного комплекса. Проведен краткий анализ существующих систем навигации, применимых для беспилотного летательного аппарата, и предложен алгоритм обеспечения системы видеонаблюдения в режиме счисления координат с помощью системы технического зрения. Задачу счисления координат БЛА с использованием видеопоследовательностей изображений земной поверхности можно решить с высокой точностью с помощью бинокулярной СТЗ. Однако в случае выхода из строя одной из камер определение координат местоположения будет продолжаться с достаточной точностью для решения поставленной задачи. А недостаток измерительных средств обеспечивается за счет использования 6 особых точек земной поверхности. Поэтому предложен алгоритм определения местоположения с помощью монокулярной системы технического зрения. Для решения задачи определения местоположения выделяются и определяются координаты особых точек на изображении поверхности. Для нахождения особых точек была выполнена обработка оцифрованного изображения методом FAST-9. Так как изображение получается цветным, то процедура нахождения особых точек является надежным путем применения метода FAST-9 для двух или даже трех цветовых компонент. Данная процедура позволяет достигнуть высокой точности определения счисляемых координат БЛА. Для решения задач счисления координат предпочтительно использование методов простых итераций, Брауна или Ньютона
Ключевые слова: счисление координат, монокулярная система технического зрения, определение местоположения, беспилотный летательный аппарат
Введение
В настоящее время в мире активизируется разработка беспилотных летательных аппаратов (БЛА). Если на ранних этапах на БЛА все задачи управления решались человеком (оператором управления), то все больше специалистов в этой сфере ведут разработки по автоматизации функций управления движения. Традиционно для решения этих задач используют радиотехнические системы (РТС), спутниковые навигационных системы (СНС), инерциально-навигационные системы (ИНС), которые имеют различные погрешности и могут быть подавлены путем постановки помех [1]. В этих условиях система технического зрения (СТЗ) отличается высокой информативностью и точностью. Необходимо отметить, что внедрение СТЗ на борт БЛА позволит решать целый ряд задач, связанных с навигацией, распознаванием, наведением, осуществлением посадки с высокой
© Смирнов Д.А., Бондарев В.Г., Тепловодский А.В., Николенко А.В., 2021
точностью, движением БЛА в окрестности аэродрома и т.д. [2].
Однако для реализации СТЗ, а именно обработки видеоинформации, требуются высокие вычислительные ресурсы, поэтому по мере развития вычислителей увеличивается применение СТЗ. В частности, СТЗ используется для измерения параметров движения БЛА относительно поверхностей и наблюдаемых поверхностей [3]. К таким задачам относятся автоматическая посадка БЛА на оборудованную ВПП, неподготовленную площадку и на подвижную поверхность такую, как палуба корабля. Кроме того, СТЗ может применяться для корректирования ошибок от ИНС, РТС.
СТЗ является перспективным средством развития для решения задач управления в режиме реального времени на БЛА. Работы по созданию СТЗ широко ведутся как в Российской Федерации, так и за рубежом, а развитие теории тесно сочетается с инновационной деятельностью. Развитие СТЗ находит свое отражение при создании высокоточных систем наведения БЛА, решении задачи навигации [4].
Актуальность
Основным средством навигации у БЛА для определения текущих координат местоположения является ИНС и СНС [5]. Данные системы дают возможность удержать БЛА на заданной траектории полета. Однако данные системы имеют следующие недостатки:
- ИНС имеют высокую стоимость, большую массу, а также нарастающую во времени погрешность;
- СНС сильно зависят от помеховой обстановки.
В связи с вышесказанным видно, что разработка средств навигации является актуальной задачей.
Развитие оптико-электронных систем (ОЭС) повлекло за собой и изменение в системе навигации, решение таких задач стало возможно с помощью видеопоследовательностей [6].
Задача счисления координат БЛА с использованием видеопоследовательностей изображений земной поверхности можно решить с высокой точностью с помощью бинокулярной СТЗ. В случае выхода из строя одной из камер определение координат местоположения будет продолжаться с достаточной точностью для решения поставленной задачи [7]. А недостаток измерительных средств обеспечивается за счет использования 6 особых точек земной поверхности.
Постановка и решение задачи
Чтобы вычислить смещение подвижного объекта, необходимо выделить и определить координаты особых точек на изображении поверхности. На рисунке представлена СТЗ в процессе определения одной из шести точек.
Пусть система координат (СК) 0тХп^т2т связана с первым положением БЛА, а СК
0т+1Хт+1¥т+12т+1 связана со вторым. Оптическая ось объектива совпадает с осью ОтХт.
Обозначим буквой Р особую точку земной поверхности. Геометрический центр объектива находится в точке Fm, в котором формируется оптическое изображение Smn (Sm+1n). Из двух последовательных положений подвижного объекта воспроизводится изображение поверхности [8].
Для нахождения особых точек необходимо произвести обработку оцифрованного изображения методом FAST-9. Такой метод производит быструю проверку сегментов сравнивая яркость точек окружности радиуса 3 пикселя с яркостью точки, лежащей в центре. Когда яркость N=9 точек окружности меньше либо больше яркости ее центра, то центр такой окружности считается особой точкой. Так как изображение получается цветным, то процедура нахождения особых точек становится надежным путем применения метода FAST-9 для двух или даже трех цветовых компонент, конечно, нужно видеть и очевидные затраты такого усовершенствования.
Следует отметить очевидный факт, что работа с координатами пикселя в интересах задач навигации или измерения не обещает достижения приемлемой точности [9]. Поэтому необходимо усилить описанный метод путем применения процедуры нахождения центра яркости круга, выделенного методом FAST-9, что приводит нас к субпиксельности. Такое усовершенствование не является единственным, но как показывает практика, погрешности снижаются кратно.
Определим координаты изображений особой точки на фотоматрице. Положение СК
0т+1Хт+1¥т+12т+1 относительно системы
0тХтУт2т зададим вектором смещения начала
координат г о,т, обусловленного движением подвижного объекта, а изменение углового положения системы 0т+1 Хт+1¥т+12т+1 - матриЦей
направляющих косинусов (Ат ) .
Выразим вектор ОтРп двумя способами и приравняем его к правой части
+
0тРп - Г°,т + 0т+^т+1,п
+Мт+1,п - 0т^,п + Мшп .
(1)
Представление СТЗ в процессе определения одной из шести особых точек
Вектора М т,п и т+1,п выражаются посредством следующих соотношений, которые
вытекают из подобия пар треугольников
олк и о^^ ^ рпвт+1
т т т т п т
М„
Мт,п = (/тК " jmУpm. " кт7р,т,п , (2)
F
Мт+1,п = (7т+1К - ]т+1 У,
Переписывается векторное равенство (1) с учетом полученных выражений
Го,т + ./т+1 Ур ,т+1,п + кт+17р,т+1,п + /'т+1К - Ут+1 ур,т+1,п - кт+17р,т+1,п
т+1^ р,т+1,п
+
кт+1 7р,т+1,п )
М
(3)
F
к
= ту + ктг +
т р,т,п р,т,п
М
(6)
0 5 = ту + к„2 , (4)
т т,п ^ т-7р,т,п т р,т,п ' V /
0т+15т+1,п = 7 т+1 Ур,т+1,п + кт+17р,т+1,п , (5)
+ -
7тК .¡тур,т,п кт2р
к
-М,
р,т+1,п '
где Мхтп и Мхт+1п - проекции векторов Мт,п
и Мт+1,п На оси 0тХт и 0т+1 Хт+1; Ур,т,п,
7р,т,п, Ур,т+1,п, 7р,т+1,п - координаты изображения особой точки Рп на фотоматрице, измеренные в двух положениях БЛА; 7 т, ]т, кт и ¡т+1, ]т+1, кт+1 единичные орты в СК
0тХт ^т ^т и 0т+1 Хт+1^т+1^т+1 ; К = 0К = 01К1 -
фокусное расстояние объектива.
Единичные орты ¡т,]т, кт и 7 т+1, jm+1, к т+1 связаны между собой известным
соотношением
¡т+1 = «11,т7т + ац,т7т + а13,тк т
7т+1 = а21,т7т + а22,т.1т + а23,ткт кт+1 = аз1,т7т + аз2,mjm + а33,ткт
(7)
где а
элементы матрицы направляющих
косинусов () , 7 - 1.. .3, j - 1.. .3.
( ^т )
cos Вт cos рт
тт
81Пф
т
-s1n Вт cos рт
тт
s1n Вт s1n ут - s1n рт cos Вт cos ут cos ут ^ рт cos Вт s1n ут + s1n Вт s1n рт cos V,
> т ' т » т > т > т ' ш » т • т > т > т >т ' /
s1n В cosy + cos В s1nф s1n у -cosф s1n у cos В cosy ^т В s1n р s1n у ,
' т / т ' т <т / т ' т > т > т > т > т гт 'ту
(8)
где ут, Вт ,рт - углы последовательных разворотов подвижного объекта вокруг осей 0тХт, 0тУт, ОХт, соответственно.
т т ' т т '
Подставляя выражения для ортов (7) в векторное соотношение (6) и проецируя на 0тХт,
0т¥т , 0тгт , получаем
Го,т + (а21,т7т + а22,т.1т + а23,ткт ) Ур,т+1,п + (а31,т7т + а32,т.1т + а33,ткт ) 7
р ,т+1,п
+
+[(а11,т7т + аl2,mjm + а13,ткт ) К (а21,т7т + а22,т.1т + а23,ткт )у
р,т+1,п
(а31,т7т + а32,т 7т + а33,ткт )2р,т+1,п ]
М„
(9)
К
= 7 у + кт2 + (¡тК —ту — кт2 )
т р,т,п р,т,п т р,т,п р,т,п
М
т р,т,п р,т,п т р,т,п
Хо,т + а21,тУр ,т+1,п 1 а31,т2р ,т+1,п
+ (а12,тК -а22,тУ
+ » + (а11 тК а21 тУ" "
р,т,п* к ту р,т+1,п а31,т2р,т+1,п
) ^Мх,т+1,п _мм
К х
М.
у + а у 1 + а 2 ,
/о,т 22,т^ р,т+1,п 32,т р,т+1,п
_а 7 )
22,т^ р,т+1,п 32,т р,т+1,п*
К
(1 Мх^п)
= ур
г + ^^ у , + г
о,т 23,т р,т+1,п 33,т р,т+1,п
+ (а13,тк а23,тУ
М
23,ту р,т+1,п а33,т7р ,т+1,п ^
(1 Мх^п)
= 2 (1--
р,т,п к
где х , у ,7
^ о,т ' о,т ' о,т
координаты вектора Го,т.
Величины М
к
М
(10)
1 х,т+1,п являются Промежуточными, поэтому не требуется их нахож-
дения, полученная система уравнений (10) нения и подставим во второе и третье уравне-упрощается. Выразим Мхтп из первого урав- ния, получим
, / т-1 х,т+1,п
у + а у , + а z , + (а,- р — а у , — а z , )-:—— - у
У о,т 22,тУ р,т+1,п 32,т р,т+1,п V 12,т 22,т^ р,т+1,п 32,т р,т+1,п' р У р,т,п
Ур,т,п у л_ I Т7 ЛМх,т+1,п -|
р I Хо,т +а21,тУр ,т+1,п + а31,mZp,m+1,n + (а11,тР — а 21,тУ р,т+1,п — а 31,т7, р,т+1,п ) р 1
, / т-1 х,т+1,п
z + а,, у , + а„ z , + (а р — а,, у , — а„ z , )-:—— — z —
о,т 23,тУ р,т+1,п 33,т р,т+1,п V 13,т 23,т^ р,т+1,п 33,т р,т+1,п' р р,т,п
Zр,т,п г л_1 Т7 ЛМх,т+1,п -
р I- Хо,т + а 21,т+1у р,т+1,п + а31,т+1Zр ,т+1,п + (а11,тР — а 21,тУр,т+1,п — а 31,т7, р ,т+1,п ) р -
(11)
(12)
Из полученных уравнений выразим от- у z z
-¡•¡I а _ У р,т+1,п _ р,т,п _ р,т+1,п
^А , У у,т+1,п т-г , Уг,т,п 1-г , ,т+1,п г-?
1У±хт\,П ™Т™„„„„,»,, ^г,™ тл,™ ТЭ ' р ' ' р ' ' р
х,т+1,п -г»
ношение - и приравняем друг другу. В
р х у z
г) _ о,т г) _ У о,т п _ о,т
процессе упрощения уравнений используем Их,т , Ру,т — ~, Pz,т — ~.
также следующие обозначения: у
у р,т,п р
р ' 'Г.'" р ' • -¿,т р
М +,
, / т-1 \ х,т+1,п
у + а у ^ + а г + (а р —а у ^ —а г )—:—— — у —
У о,т 22,ту р,т+1,п 32,т р,т+1,п V 12,т 22,т✓ р,т+1,п 32,т р,т+1,п' р у р,т,п
— у [ х + а у + а г + (а р — а у — а г ) —х,т+1,п ] х (13)
Лу,т,Д о,т 21,га^р,т+1,п 31,т р,т+1,п V 11,т 21,т у р,т+1,п 31,т р,т+1,п' р J ^ '
у + а у ^ + а 2 —у + у (х + а у + а г ) М
У о,т 22,тУ р,т+1,п 32,т р,т+1,п у р,т,п Лу,т,п V о,т 21,т^ р,т+1,п 31,т р,т+1,п' х,т+1,п
Уу,т,п (а11,тр а21,тур,т+1,п а31,т2р,т+1,п ) + (а12,тр а22,тУр,т+1,п а32,т2р,т+1,п ) р
х,т-р
Ъу,т,п\ 11, т 21, тУ р,т+1,п 31, т р ,т+1,п/ V 12, т 22, тУ р,т+1,п 32, т р,т+1,п>
М +,
, / т-1 \ х,т+1,п
г + а у ^ + а 2 ^ + (а р —а у ^ —а г )—:—— — г
о,т 23,тУ р,т+1,п 33,т р,т+1,п V 13,т 23,тУ р,т+1,п 33,т р,т+1,п' 7-? р
— у [ х + а у + а г + (а р — а у — а г ) —х,т+1,п ] х (14)
Лг,т,п^ о,т 21,т+1У р,т+1,п 31,т+1 р,т+1,п V 11,т 21,тУ р,т+1,п 31,т р,т+1,п ' р J ^ '
г + а у ^ + а г —г + у (х + а ^ у + а ,, ) М
о,т 23,тУ р,т+1,п 33,т р,т+1,п р,т,п Лг,т,п V о,т 21,т+ы р,т+1,п 31,т+1 р,т+1,п' х,т+1,п
Уг,т,п (а11,тр а21,тУр,т+1,п а31,тгр,т+1,п ) + (а13,тр а23,.тУр,т+1,п а33,тгр,т+1,п ) р
Получим
Иу,т + а22,т%у,т+1,п + а32,тХг,т+1,п + %у,т,п (Рх,т + а21,т%у,т+1,п + а31,тХг,т+1,п — 1) _ %у,т,п (а11,т — а21,т%у,т+1,п —а31,тХг,т+1,п ) + (а12,т — а22,т%у,т+1,п — а32,т%г, т+1,п) _ Рг,т + а23,тХу,т+1,п + а33,тХг,т+1,п + %г,т,п (Рх,т + а21,т+1%у,т+1,п + а31,т+1%г,т+1,п — 1) %г,т,п (а11,т — а2\,тХу,т+\,п — а31,тУг,т+1,п ) + (а13,т — а23,т%у,т+1,п — а33,т%г,т+1,п )
Анализ полученной системы уравнений субпиксельная обработка изображения, по-показывает, что в нее вошли шесть неизвест- скольку размерность и разрядность современных величин {Зхт, Рут, {32т, ут, Рт ,фт , из- ных фотоматриц пока еще не достаточна для
получения хороших результатов при попик-вестная константа F, а также измеряемые по- „ ^
, сельной обработке 1101. средством фотоматриц величины
Для решения указанной нами задачи
уу,.,п , Уг,т,п, уу,т+1,п, Уг,т+1,п. араметры по- необходимо иметь шесть нелинейных алгебра-
средством фотоматрицы получают в процессе ических уравнений с шестью неизвестными.
обработки изображений земной поверхности, Однако следует иметь в виду, что главным
причем эта процедура является важной для до- условием определения координат является ис-
стижения высокой точности определения счис- пользование шести точек на земной поверхно-
ляемых координат подвижного объекта. По- сти, из которых три не лежат на одной прямой. этому необходимо, чтобы осуществлялась
Для упрощения полученных уравнений необходимо исключить следующие перемен-
ные Вхт, /Зут, /32т . Поэтому нужно ввести следующие обозначения:
В..
Хг.
Xу,т,п (а11,т а21,тХу,т+1,п а31,тХг,т+1,п ) + (а12,т а22,тХу,т+1,п а32,тХг,т+1,п )
х у
хг,т,п (а11,т а21,тХу,т+1,п а31,тХг,т+1,п ) + (а13,т а23,тХу,т+1,п а33,тХ г,т+1,п )
В..
1
В,
Ху,т,п (а11,т а21,тХу,т+1,п а31,тХ2,т+1,п ) + (а12,т а22,тХу,т+1,п а32,тХ2, т+1,п )
1
Х7,т,п (а11,т а21,тХу,т+1,п а31,тХг,т+1,п) + (а13,т а23,тХу,т+1,п а33,тХг,т+1,п) Ву,т + а22,тХу,т+1,п + а32,тХг,т+1,п + Ху,т,п (Рх,т + а21,тХу,т+1,п + а31,тХг,т+1,п - 1) Ху,т,п (а11,т - а21,тХу,т+1,п - а31,тХг,т+1,п ) + (а12,т - а22,тХу,т+1,п -а32,тХг, т+1,п ) ,т + а23,тХу,т+1,п + а33,тХг,т+1,п + Хг,т,п (Рх,т + а21,т+1Ху,т+1,п + а31,т+1Хг,т+1,п - 1) Хг,т,п (а11,т -а21,тХу,т+1,п -а31,тХг,т+1,п ) + (а13,т ~ а23,тХу,т+1,п - а33,тХг,т+1,п ) а23,тХу,т+1,п + а33,тХг,т+1,п + Хг,т,п (а21,т+1Ху,т+1,п + а31,т+1Хг,т+1,п - 1)
= 0
С__ =-
Хг,т,п (а11,т а21,тХу,т+1,п а31,тХг,т+1,п ) + (а13,т а23,тХу,т+1 а33,тХг,т+1)
13,т 23,т у,т+1 33,т А г ,т+1
а22,тХу,т+1,п + а32,тХг,т+1,п + Ху,т,п (а21,тХу,т+1,п + а31,тХг,т+1,п 1)
Ху,т,п (а11,т -а21,тХу,т+1,п - а31,тХг,т+1,п ) + (а12,т - а22,тХу,т+1,п ~ а32,тХг,т+1,п )
С учетом обозначений система уравнений (15) принимает вид:
В
х,т,пВх,т + Ву,т,пВу,т + Вг,т,пВг,т Ст,п, (16)
Первые три уравнения системы (16) относительно величин Вх,т, Ву,т, ,т представляют
собой систему линейных уравнений [11], решение которых находим по следующим формулам
С ,В .В о + С .,В ,В . + С ~В оВ , -
т,1 у,т,2 г,т,3 т,3 у ,т,1 г,т,2 т,2 у,т,3 г,т,1
С В В С В В С В В
т,1 у ,т,3 г,т,2 т,2 у ,т,1 г,т,3 т,3 х,т,3 у ,т,2
В ,В .В о + В ,В .В о + В ,В .В о -
х,т,1 у ,т,2 г,т,3 у ,т,1 г,т,2 х,т,3 г,т,1 х,т,2 у ,т,3
В В В В В В В В В
г,т,1 у,т,2 х,т,3 х,т,1 г,т,2 у ,т,3 у ,т,1 х,т,2 г,т,3
В ,В .В о + В ,В .В о + В ,В .В о -
х,т,1 у,т,2 г,т,3 у,т,1 г,т,2 х,т,3 г,т,1 х,т,2 у,т,3
В В В В В В В В В
г,т,1 у ,т,2 х,т,3 х,т,1 г,т,2 у ,т,3 у ,т,1 х,т,2 г,т,3
С ,В .,В . + С .,В ,В . + С .В ,В о -
т,1 у ,т,3 х,т,2 т,3 х,т,1 у,т,2 т,2 у ,т,1 х,т,3
С В В С В В С В В
т,1 у ,т,2 х,т,3 т,2 х,т,1 у ,т,3 т,3 х,т,2 у ,т,1
В .В .В , + В .В .В , + В .В .В , -
х,т,1 у,т,2 г,т,3 у,т,1 г,т,2 х,т,3 г,т,1 х,т,2 у,т,3
В В В В В В В В В
г,т,1 у ,т,2 х,т,3 х,т,1 г,т,2 у ,т,3 у ,т,1 х,т,2 г,т,3
(17)
Подставив выражения (17) в три последних уравнения системы (16), получаем систему нелинейных алгебраических уравнений относительно угловых величин ут, Вт ,рт ,
В (С ,В 0В о + С ,В ,В ~ + С 0В ,В , -С ,В ,В ~ -С 0В ,В о -
х,т,п V т,1 у,т,2 г ,т,3 т,3 у,т,1 г ,т,2 т,2 у,т,3 г ,т,1 т,1 у,т,3 г ,т,2 т,2 у ,т,1 г ,т,3 -Ст,3Вх,т,3Ву,т,2 ) + Ву,т,п (Ст,1Вх,т,3Вг,т,2 + Ст,3Вх,т,2Вг,т,1 + Ст,2Вг,т,3Вх,т,1 - Ст,1Вх,т,2Вг,т,3 -
-С 0В ,В , -С ,В ,В 0) + В (С ,В ,В ~ + С ,В ,В ~ + С 0В ,В о -
т,2 х,т,3 г ,т,1 т,3 х,т,1 г ,т,2/ г,т,пУ т,1 у,т,3 х,т,2 т,3 х,т,1 у,т,2 т,2 у,т,1 х,т,3
-С ,В 0В о-С 0В ,В о-С ,В 0В ,) = С (В ,В 0В В ,В 0В
т,1 у,т,2 х,т,3 т,2 х,т,1 у,т,3 т,3 х,т,2 у,т,1' т,пУ х,т,1 у,т,2 г ,т,3 у ,т,1 г ,т,2 х ,т,3
+В ,В 0В о-В ,В 0В о -В ,В 0В о -В ,В 0В о),
г ,т,1 х,т,2 у,т,3 г,т,1 у,т,2 х,т,3 х,т,1 г,т,2 у,т,3 у,т,1 х,т,2 г ,т,3-"
(18)
где п = 4, 5, 6.
Система уравнений (18) с учетом выражений (15) описывает функциональную связь
между неизвестными углами ут, (Зт, рт перемещения подвижного объекта из одного его последовательного положения в другое, в кото-
С .В ,В , + С ,В .В . + С .В ,В .
т,1 х,т,3 г,т,2 т,3 х,т,2 г,т,1 т,2 г,т,3 х,т,1
С В В
т,1 х,т,2 г,т,3
С В В С В В
т,2 х,т,3 г,т,1 т,3 х,т,1 г,т,2
рых производилась фотоэкспозиция, и измеряемыми величинами Уу,т, У г,т, Уу,«^ Уг,т+1
для каждой из 6 особых точек, а также известным фокусным расстоянием объектива р.
Решение системы уравнений (18) относительно углов ут, Рт, (рт осуществляют методом простых итераций, Ньютона или Брауна [12]. Вычисляют компоненты поступательного перемещения подвижного объекта по формулам
хо,т — рИ ,т, Уо,т — рРу ,т, го,т — рИ.т (19)
Описанное снижение порядка системы уравнений (15) с шести до трех позволяет снизить потребные для ее решения ресурсы цифрового вычислителя.
Заключение
Таким образом, решена задача счисления координат БЛА с использованием видеопоследовательностей изображений земной поверхности при наличии только одной видеокамеры. Для решения задачи определения местоположения выделяли и определяли координаты особых точек на изображении поверхности. Для нахождения особых точек была выполнена обработка оцифрованного изображения методом FAST-9. Так как изображение получается цветным, то процедура нахождения особых точек является надежным путем применения метода FAST-9 для двух или даже трех цветовых компонент. Данная процедура позволяет достигнуть высокой точности определения счисляемых координат БЛА. Главным условием определения координат является использование 6 точек на земной поверхности, из которых 3 не лежат на одной прямой. Для решения задач счисления координат предпочтительно использование методов простых итераций, Брауна или Ньютона.
Литература
1. Верба В.С., Татарский Б.Г. Комплексы с беспи-
лотными летательными аппаратами. В 2-х кн. Кн. 1. Принципы построения и особенности применения комплексов с БЛА. М.: Изд. «Радиотехника», 2016. 507 с. Кн. 2. Робототехнические комплексы на основе БЛА. М.: Изд. «Радиотехника», 2016. 821 с.
2. Гришин В.А. Системы технического зрения в решении задач управления беспилотными летательными аппаратами // Датчики и системы. 2009. № 2. С. 46-52.
3. Купервассер О.Ю., Рубенштей А.А. Система навигации БЛА с помощью видео // IV конференция "ТРИЗ. Практика применения методических инструментов", 2012. С. 1-6.
4. Современные информационные технологии в задачах навигации и наведения беспилотных маневренных летательных аппаратах / К.К. Веремеенко, С.Ю. Желтов, Н.В. Ким, Г.Г. Себряков, М.Н. Красильщиков. М.: ФИЗ-МАТЛИТ, 2009. 556 с.
5. Дмитроченко Л.А. Анализ точности автономных инерциальных навигационных систем. М.: МАИ, 1979. 55 с.
6. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: учебник для вузов. 2-е изд., пере-раб. и доп. М.: Советское радио, 1980. 392 с.
7. Пат. 2401436 Российская Федерация, МПК7 G 01s 11/00. Способ измерения координат объекта и устройство для его осуществления / Бондарев В. Г., Бондарев В.В., Бондарев М.В.; заявитель и патентообладатель авторы. № 2008110814/09; заявл. 24.03.08; опубл. 10.10.10, Бюл. № 28. 4 с.: ил.
8. Пат. 2700908 Российская Федерация, МПК B64F 1/18 G05D 1/00. Способ определения координат летательного аппарата относительно взлетно-посадочной полосы / Агеев А.М., Бондарев В. Г., Ипполитов С.В., Лопаткин Д.В., Озеров Е.В., Проценко В.В., Смирнов Д.А.; заявитель и патентообладатель авторы. - № 2018112532; заявл. 06.04.18; опубл. 23.09.19, Бюл. № 27. 8 с.: ил.
9. Альтман Е.А., Захаренко Е.И. Высокопроизводительный метод повышения визуального качества изображения объекта на видеопоследовательности // Омский научный вестник. Сер.: Приборы, машины и технологии. 2013. № 3 (123). С. 247-250.
10. Обработка и распознавание изображений объектов, полученных посредством СТЗ ЛА / В.Г. Бондарев, Д.А. Смирнов, Н.И. Майгурова, А.В. Николенко, К.Ю. Гусев // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2019. Т. 15. № 3. С. 34-42.
11. Вержбицкий В.М. Численные методы. Линейная алгебра и нелинейные уравнения: учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 2000. 266 с.
12. Ермаков В.В., Калиткин Н.Н. Оптимальный шаг и регуляризация метода Ньютона // Вычислительная математика и математическая физика. 1981. Т. 21. № 2. С. 491 -497.
Поступила 11.05.2021; принята к публикации 23.08.2021 Информация об авторах
Смирнов Дмитрий Андреевич - инженер-испытатель войсковой части 15650, Государственный лётно-испытательный центр Министерства обороны имени В.П. Чкалова (416504, Россия, г. Ахтубинск), e-mail: [email protected] Бондарев Валерий Георгиевич - канд. техн. наук, профессор, доцент кафедры эксплуатации авиационного оборудования, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А), e-mail: [email protected]
Тепловодский Александр Владимирович - заместитель командира войсковой части 15650 по ИМ и НИР, Государственный лётно-испытательный центр Министерства обороны имени В.П. Чкалова (416504, Россия, г. Ахтубинск), e-mail: [email protected]
Николенко Александр Владимирович - младший научный сотрудник 21 отдела научно-исследовательского центра (проблем применения, обеспечения и управления авиацией ВВС), Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А); аспирант кафедры «Прикладная математика и механика», Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: [email protected]
SOLVING THE PROBLEM OF DETERMINING THE LOCATION OF AN UNMANNED AERIAL VEHICLE IN THE COORDINATE COUNTING MODE USING A TECHNICAL VISION SYSTEM
D.A. Smirnov1, V.G. Bondarev2, A.V. Teplovodskiy1, A.V. Nikolenko2
'State Flight Test Center named after V.P. Chkalov, Military unit 15650, Akhtubinsk, Russia 2Military Scientific Educational Center of Military-Air Forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin Military-Air Academy", Voronezh, Russia 3Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: we present the rationale for the use of an optoelectronic system as a navigation-measuring complex. We carried out a brief analysis of existing navigation systems applicable to an unmanned aerial vehicle and propose an algorithm for providing a video surveillance system in the reckoning mode using a vision system. The problem of reckoning UAV coordinates using video sequences of images of the earth's surface can be solved with high accuracy using a binocular TVS. However, in case of failure of one of the cameras, the determination of the coordinates of the location will continue with sufficient accuracy to solve the task. And the lack of measuring instruments is ensured through the use of 6 special points of the earth's surface. Therefore, we propose an algorithm for determining the location using a monocular vision system. To solve the problem of determining the location, we selected and determined the coordinates of the singular points on the surface image. To find the special points, we processed the digitized image using the FAST-9 method. Since the image is obtained in color, the procedure for finding special points is reliable by applying the FAST-9 method for two or even three color components. This procedure allows you to achieve high accuracy in determining the reckoning coordinates of the UAV. To solve problems of reckoning coordinates, it is preferable to use the methods of simple iterations, Brown or Newton
Key words: coordinate counting, monocular vision system, location detection, unmanned aerial vehicle
References
1. Verba V.S., Tatarskiy B.G. "Complexes with unmanned aerial vehicles" ("Kompleksy s bespilotnymi letatel'nymi apparatami") in 2 volumes, volume 1 "Principles of construction and features of the use of complexes with UAVs" ("Printsipy postroyeniya i osobennosti primeneniya kompleksov s BLA"), 507 p., volume 2 "Robotic complexes based on UAVs" ("Robo-totekhnicheskie kompleksy na osnove BLA"), Moscow, Radio Tekhnika, 2016, 821 p.
2. Grishin V.A. "Systems of technical vision in solving problems of control of unmanned aerial vehicles", Sensors and Systems (Datchiki i sistemy), 2009, no. 2, pp. 46-52.
3. Kuperwasser O.Yu., Rubenstey A.A. "Navigation system of UAVs with the help of video", IV Conf. "TRIZ. Practice of using methodological tools" (IVkonferentsiya "TRIZ. Praktikaprimeneniya metodicheskikh instrumentov"), 2012, pp. 1-6.
4. Veremeenko K.K., Zheltov S.Yu., Kim V.N., Sebryakov G.G., Krasel'shchikov M.N. "Modern information technologies in the task navigation and guidance maneuverable unmanned aircraft" ("Sovremennye informatsionnye tekhnologii v zadachakh navi-gatsii i navedeniya bespilotnykh manevrennykh letatel'nykh apparatakh"), Moscow, FIZMATLIT, 2009, 556 p.
5. Dmitrochenko L.A. "Analysis of the accuracy of the Autonomous inertial navigation systems" ("Analiz tochnosti avtonom-nykh inertsial'nykh navigatsionnykh sistem"), Moscow, MAI, 1979, 55 p.
6. Yakushenkov Yu.G. "Theory and calculation of optoelectronic devices" ("Teoriya i raschet optiko-elektronnykh priborov"), textbook for universities, Moscow, Sovetskoe radio, 1980, 392 p.
7. Bondarev V.G., Bondarev V.V., Bondarev M.V. "A method for measuring the coordinates of an object and a device for its implementation" ("Sposob izmereniya koordinat ob"ekta i ustroystvo dlya yego osushchestvleniya"), patent 2401436 Russian Federation, IPC7 G 01s 11/00, publ. 10.10.10, bull. 28, 4 p.
8. Ageev A.M., Bondarev V.G., Ippolitov S.V., Lopatkin D.V., Ozerov E.V., Protsenko V.V., Smirnov D.A. "Method for determining the coordinates of the aircraft relative to the runway" ("Sposob opredeleniya koordinat letatel'nogo apparata otnositel'no vzletno-posadochnoy polosy"), patent 2700908 Russian Federation,, IPC7 B64F 1/08 G05D 1/00, application 06.04.18, publ. 23.09. 19, bull. no. 27, 8 p.
9. Altman E.A., Zakharenko E.I. "High-performance method for improving the visual quality of an object image on a video sequence", Omsk Scientific Bulletin (Omskiy nauchnyy vestnik), 2013, no. 3 (123), pp. 247-250.
10. Bondarev V.G., Smirnov D.A., Maigurova N.I., Nikolenko A.V., Gusev K.Yu. "Processing and image recognition received by STZ LA", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universi-teta), 2019, vol. 15, no. 3, pp. 34-42.
11. Verzhbitskiy V.M. "Numerical methods. Linear algebra and nonlinear equations" ("Chislennye metody. Lineynaya algebra i nelineynye uravneniya"), textbook, Moscow, Vysshaya shkola, 2000, 266 p.
12. Ermakov V.V., Kalitkin N.N. "Optimal step and regularization of the Newton method", Computational Mathematics and Mathematical Physics (Vychislitel'naya matematika i matematicheskaya fizika), 1981, vol. 21, no. 2, pp. 491-497.
Submitted 11.05.2021; revised 23.08.2021 Information about the authors
Dmitriy A. Smirnov, test engineer, State Flight Test Center named after V.P. Chkalov, Military Unit 15650 (Akhtubinsk 416504, Russia), e-mail: [email protected]
Valeriy G. Bondarev, Cand. Sc. (Technical), Professor, Aassociate Professor, Military Scientific Educational Center of Military-Air Forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin Military-Air Academy" (54A Starykh Bol'shevikov str., Voronezh 394064, Russia), e-mail: [email protected] Aleksandr V. Teplovodskiy, Deputy Commander of the Military Unit 15650, State Flight Test Center named after V.P. Chkalov (Akhtubinsk 416504, Russia), e-mail: [email protected]
Aleksandr V. Nikolenko, Junior researcher, Military Scientific Educational Center of Military-Air Forces 'N.E.Zhukovsky and Ju.A. Gagarin Military-Air Academy" (54A Starykh Bol'shevikov str., Voronezh 394064, Russia), e-mail: [email protected]
