Дисертації (РТС)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Перегляд Дисертації (РТС) за Назва
Зараз показуємо 1 - 2 з 2
Результатів на сторінці
Налаштування сортування
Документ Відкритий доступ Методи адаптивного оцінювання параметрів руху маневруючого малорозмірного БПЛА за даними відеокамери та далекоміра(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2025) Соколов, Кирило Анатолійович; Жук, Сергій ЯковичСоколов К. А. Методи адаптивного оцінювання параметрів руху маневруючого малорозмірного БПЛА за даними відеокамери та далекоміра. — Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 17 «Електроніка та телекомунікації» за спеціальністю 172 «Телекомунікації та радіотехніка». — Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2025. Метою дослідження є підвищення точності визначення місцеположення маневруючого малорозмірного БПЛА шляхом розробки методів адаптивного оцінювання параметрів його руху за даними відеокамери та далекоміра, які не вимагають значних обчислювальних витрат. На сьогоднішній день широкого розповсюдження набули малорозмірні БПЛА (МБПЛА) з різними багатофункціональними модифікаціями. Це спричинило проблему у створенні систем контролю і моніторингу за МБПЛА для забезпечення безпеки. Окремим завданням у вирішенні цієї проблеми є покращення методів виявлення та слідкування за МБПЛА з використанням доступних та поширених пристроїв. Обробка інформації отриманої з послідовності кадрів відеокамери дає змогу визначити напрямок на об’єкт, проте не містить інформації про дальність до об’єкту. Комплексування відеокамери та далекоміра дає можливість визначити місцеположення об’єкта у просторі. Активне маневрування МБПЛА призводить до ускладнення процесу супроводження та зниження точності оцінювання параметрів руху. Побудовані на основі калманівської фільтрації у дискретному часі алгоритми визначення параметрів руху об’єктів за даними траєкторних вимірювань мають рекурентну структуру, що зручно реалізувати на ЕОМ. Проте, такі алгоритми при оцінюванні параметрів руху інтенсивно маневруючих об’єктів часто є розбіжними. Байєсівський метод адаптивного оцінювання процесів з випадковою структурою в дискретному часі призводить до фільтрів зі зростаючим числом каналів, які практично не можливо реалізувати, і не дозволяє отримати рекурентні оптимальні алгоритми оцінювання таких процесів. Тому актуальною науковою задачею є розробка методів адаптивного оцінювання параметрів руху маневруючого МБПЛА за даними відеокамери та далекоміра, що забезпечують підвищення точності визначення його місцеположення і не вимагають значних обчислювальних витрат. Зміст дисертаційного дослідження викладено у чотирьох розділах, у кожному з яких представлено з поясненням основні результати дослідження. У вступі надано обґрунтування актуальності обраної теми дисертаційної роботи та сформульовано наукову задачу. Окреслено об’єкт і предмет дослідження, сформульовано мету роботи, та, на її основі, поставлені завдання з вказанням методів дослідження. Представлено основні наукові результати, обґрунтовано їх новизну. Зазначено особистий внесок здобувача у дослідження, а також висвітлений зв'язок з науковими програмами, планами, темами, грантами. Описано практичне значення отриманих результатів та наведено дані щодо апробації матеріалів дисертації. У першому розділі виконано аналіз наукових джерел зі зазначенням актуальних досягнень, пов’язаних з тематикою дисертаційного дослідження. Надано класифікацію різновидів БПЛА, на основі якої відмічені основні характерні особливості поведінки даних літальних апаратів, важливих в рамках наукового дослідження. Розглянуто типову будову БПЛА, характерну для класу малогабаритних БПЛА. Увагу зосереджено на динамічних характеристиках, відмінностях даного класу літальних апаратів з поміж інших. Також розглянуто особливості функціонування, будови та використання сучасних рішень у системах відеоспостереження. Зазначені класи відеокамер в залежності від кутів їх огляду. Показані переваги та недоліки використання вузькопольних та широкопольних систем відеоспостереження. Відмічено важливі для дослідження характеристики систем відеоспостереження. Розглянуті два основних види далекомірів, які можуть бути використані для отримання даних спостереження. Зазначені основні фізичні принципи функціонування лазерних далекомірів та FMCW радарів. Підкреслено важливу для дослідження характерну різницю в роботі FMCW радарів та лазерних далекомірів. Проаналізовано актуальні методи виявлення та супроводження рухомих об’єктів на послідовності кадрів системи відеоспостереження. Детально розглянуто кореляційно-екстремальний метод стеження, наведено основний математичний апарат, що використовується у даному методі. Проведено аналіз актуальних методів адаптивного оцінювання параметрів руху маневруючого об'єкта. Розглянуто основні засади класичного методу оцінювання параметрів руху об’єкта — калманівської фільтрації. Надано загальну класифікацію методів адаптивного оцінювання параметрів руху маневруючого об'єкта. Другий розділ присвячено розробці алгоритмів адаптивного оцінювання параметрів руху МБПЛА за даними відеокамери з використання кореляційного пошуку. Наведено методику розрахунку траєкторії руху МБПЛА за відеоданими, описано модель руху МБПЛА у матричному вигляді. Виконано аналіз точності позиціонування МБПЛА на поточному кадрі. Описано основні засади побудови алгоритму адаптивного оцінювання параметрів руху МБПЛА за даними відеокамери з використанням кореляційного пошуку. Проведено синтез оптимального та квазіоптимального алгоритмів адаптивного оцінювання параметрів руху МБПЛА за даними відеокамери з використанням кореляційного пошуку. Виконано аналіз квазіоптимального алгоритму адаптивного оцінювання параметрів руху МБПЛА за даними відеокамери, з використанням кореляційного пошуку методом статистичного моделювання на ЕОМ у середовищі MATLAB. У третьому розділі дослідження виконано розробку методів адаптивного оцінювання параметрів руху маневруючого МБПЛА за даними далекоміру. Синтезовано оптимальний і квазіоптимальний алгоритми адаптивного оцінювання параметрів руху маневруючого МБПЛА за даними далекоміру та проведено аналіз квазіоптимального алгоритму. На основі квазіоптимального алгоритму адаптивного оцінювання параметрів руху маневруючого МБПЛА за даними далекоміру розроблено адаптивний алгоритм з постійними коефіцієнтами підсилення каналів фільтру та виконано його аналіз. Виконано розробку оптимального і квазіоптимального алгоритмів адаптивного оцінювання параметрів руху маневруючого МБПЛА за даними далекоміру при наявності пропусків та хибних вимірювань та проведено аналіз квазіоптимального алгоритма. Продемонстровано перевагу отриманих алгоритмів над класичним фільтром Калмана у потенційній помилці в точності оцінювання дальності. У четвертому розділі надані пропозиції щодо побудови комплексу стеження за МБПЛА з використанням відеокамери та далекоміра. Розглянуто питання отримання та первинної обробки відеопотока з IP камер. Розроблено алгоритм керування IP PTZ камерою з використанням API на базі протоколу ONVIF. Синтезовано оптимальну цифрову система керування кроковими двигунами рухомої поворотної платформи далекоміра. Описані дві конфігурації комплексу стеження за МБПЛА та надано рекомендації по вибору його складових модулів. Зазначено рекомендовані характеристики модулів для конструктивного виконання комплексу. В загальних висновках підсумовано основні результати досліджень, проведених у дисертаційній роботі. Наукова новизна одержаних результатів при виконанні дисертаційної роботи полягає у наступному: 1. Розроблено метод адаптивного оцінювання параметрів руху маневруючого МБПЛА за даними відеокамери з використанням кореляційного пошуку, в якому, на відміну від існуючих, виконується розпізнавання виду його руху, що дозволяє підвищити точність оцінювання і будувати строби супроводу адекватно поточній ситуації. 2. Розроблено метод адаптивного оцінювання параметрів руху маневруючого МБПЛА за даними далекоміру при наявності пропусків та хибних вимірювань, в якому, на відміну від існуючих, виконується сумісне розпізнавання виду його руху і хибних вимірювань, що дозволяє підвищити точність оцінювання і забезпечує стійку роботу адаптивного фільтру. 3. Модифіковано метод адаптивного оцінювання параметрів руху маневруючого МБПЛА за даними далекоміру за рахунок фіксування коефіцієнтів підсилення каналів фільтру, що забезпечує зниження обчислювальних витрат. Практичне значення отриманих результатів полягає у наступному: Розроблений адаптивний фільтр за даними відеокамери з використанням кореляційного пошуку забезпечує розпізнавання зависання і майже рівномірний рух МБПЛА з ймовірностями не нижче 0.9. На ділянках рівномірного руху і зависання МБПЛА СКВ похибок прогнозу його координат в 3.2 і 6.5 разів менше, ніж на ділянках руху з маневром, що знижує ймовірність потрапляння в строб сторонніх об’єктів. Розроблений метод адаптивного оцінювання параметрів руху маневруючого МБПЛА за даними відеокамери може бути застосований без суттєвих змін при використанні методів міжкадрової різниці та обчислення оптичного потоку для виявлення і вимірювання координат маневруючого МБПЛА Розроблений адаптивний фільтр за даними далекоміру на ділянках майже рівномірного руху і зависання забезпечує СКВ похибок прогнозу дальності на 70 % менше, ніж на ділянках руху з маневром, а швидкості, відповідно, в 3.8 раз менше. На ділянках зависання МБПЛА додатково можна підвищити точність прогнозування в 2 рази. При цьому він забезпечує розпізнавання хибних вимірювань з ймовірністю близькою до одиниці. Розроблений адаптивний фільтр за даними далекоміру з постійними коефіцієнтами підсилення каналів фільтру не погіршує точносні характеристики в стаціонарних режимах роботи і дозволяє зменшити кількість операцій множення на один такт роботи алгоритму у 31 раз, а кількість операцій додавання — у 8 разів. Розроблені: алгоритм керування IP PTZ камерою з використанням API на базі протоколу ONVIF, модель оптимальної цифрової система керування кроковими двигунами рухомої поворотної платформи, пропозиції щодо вибору відеокамер та лазерних далекомірів, які можуть бути використані при побудові комплексу стеження за МБПЛА за двома конфігураціями.Документ Відкритий доступ Методи виявлення траєкторії і супроводження малорозмірного БПЛА FMCW радаром з використанням вирішальних статистик відміток(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2025) Маленчик, Тарас Володимирович; Жук, Сергій ЯковичМаленчик Т. В. Методи виявлення траєкторії і супроводження малорозмірного БПЛА FMCW радаром з використанням вирішальних статистик відміток. - Кваліфікаційна праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань 17 Електроніка та телекомунікації 172 Телекомунікації та радіотехніка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Метою роботи є підвищення ефективності виявлення траєкторії і супроводження малорозмірного БПЛА (МБПЛА) FMCW радаром при малих відношеннях сигнал шум (ВСШ), шляхом розробки методів траєкторної обробки, що використовують вирішальні статистики відміток і не вимагають значних обчислювальних витрат. Розвиток технологій побудови МБПЛА, їх доступність і масове використання, призвели до появи нового класу загроз, що вимагає розробки відповідних систем захисту. Сучасним засобом виявлення рухомих цілей на малих відстанях є FMCW радар, який забезпечує: високоточне вимірювання дальності, а також радіальної швидкості, кращу безпеку через відсутність імпульсного випромінювання з великою потужністю; низьке енергоспоживання. Особливістю МБПЛА як об'єктів радіолокаційного спостереження є екстремально низькі значення ефективної поверхні розсіювання, що призводить до зменшення дальності його виявлення і появи значної кількості хибних відміток. Крім того, МБПЛА можуть рухатись з різними видами маневру, які апріорі невідомі. Це обумовлює необхідність вдосконалення існуючого алгоритмічного забезпечення для вирішення задачі обробки траєкторної інформації. У традиційних алгоритмах виявлення траєкторії і супроводження цілей використовується тільки координатна інформація. Для підвищення ефективності вирішення таких задач в якості додаткової інформації запропоновано [1-3] використовувати вирішальні статистики відміток з виходу оптимального приймача первинної обробки сигналів. Однак відомі методи супроводження до виявлення та деревовидні послідовні методи виявлення траєкторії цілі вимагають великих обчислювальних витрат. Відомий псевдобайєсівський алгоритм супроводження цілі з ймовірнісним об'єднанням даних, який вважається найкращим щодо співвідношення якості і обчислювальних витрат, не враховує різні типи руху цілі. Тому актуальною науковою задачею є розробка методів виявлення траєкторії і адаптивного супроводження МБПЛА FMCW радаром з використанням вирішальних статистик відміток, для підвищення ефективності траєкторної обробки при малих ВСШ, які не вимагають значних обчислювальних витрат. В першому розділі розглянуто особливості МБПЛА, клас потенційних загроз, які вони становлять, та обґрунтовано актуальність задачі радіолокаційного виявлення та супроводження МБПЛА. Проведено аналіз характеристик та особливостей застосування FMCW радара для виявлення рухомих цілей. Розглянути переваги і недоліки існуючих методів радіолокаційного виявлення траєкторії, супроводження та зриву супроводження рухомих цілей. Показано, що застосування відомих алгоритмів, є неефективним при малих ВСШ. Зроблено висновок про доцільність використання для підвищення ефективності вирішення задач вторинної обробки радіолокаційної інформації при малих ВСШ вирішальних статистик відміток. Сформульовано мету і наукові завдання дисертаційного дослідження. Другий розділ присвячено розробленню методів виявлення МБПЛА та його траєкторії FMCW радаром. Розглянуто задачу виявлення гармонійного сигналу з невідомими параметрами при відомій потужності шуму. Пристрійвиявлення сигналу FMCW радару на інтервалі когерентного накопичення побудовано за періодограмною схемою. Отримано закони розподілу щільності ймовірності вирішальної статистики відмітки за умови наявності і відсутності цілі. Синтезовано алгоритм оцінювання невідомої потужності шуму з використанням довірчих інтервалів та проведено його аналіз. На основі критерію Вальда розроблено метод послідовного виявлення траєкторії малорозмірного БПЛА з використанням вирішальної статистики найсильнішої відмітки в стробі супроводження. Проведено його аналіз і порівняння з методом виявлення, в якому вирішальні статистики не враховуються шляхом статистичного моделювання. В третьому розділі розроблено метод адаптивного супроводження МБПЛА з ймовірнісною ідентифікацією даних з використанням вирішальних статистик відміток, в якому враховуються різні типи його руху. При цьому використано модель руху маневруючої цілі у вигляді дискретної стохастичної динамічної системи з випадковою структурою по дальності. Шляхом статистичного моделювання проведено аналіз розробленого методу і його порівняння з алгоритмами супроводження з ототожненням даних за методами «найсильніший сусід» і «найближчий сусід». Удосконалено метод виявлення зриву супроводження малорозмірного БПЛА FMCW радаром на основі критерію l n/ , в якому додатково виконується перевірка основної гіпотези щодо закону розподілу накопичених вирішальних статистик найсильніших відміток, отриманих в стробах супроводження. Проведено його аналіз на прикладі алгоритму виявлення зриву супроводження за критерієм 3 / 4 . В четвертому розділі синтезовано алгоритм адаптивного супроводження МБПЛА з ймовірнісною ідентифікацією даних з використанням вирішальних статистик відміток трикоординатним FMCW радаром. Особливістю алгоритма є спільне оцінювання параметрів руху цілі та змінної перемикання, що характеризує вид її руху, у декартовій системі координат, а ототожнення відміток в стробі супроводження виконується у сферичній системі координат на основі методу ймовірнісного об’єднанням даних з використаннямвирішальних статистик відміток. Шляхом статистичного моделювання проведено аналіз ефективності розробленого алгоритму. Розроблено рекомендації щодо побудови FMCW радара в надвисокочастотному діапазоні радіохвиль з використанням гібридно–інтегральних технологій. Проведено аналіз можливостей практичної реалізації розроблених алгоритмів виявлення і супроводження МБПЛА FMCW радаром та обгрунтовано цифрову платформу для їх реалізацій. Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному: 1. Розроблено метод адаптивного супроводження маневруючого МБПЛА FMCW радаром з ймовірнісною ідентифікацією даних, в якому на відміну від відомих відбувається спільне оцінювання параметрів і розпізнавання різних видів його руху і враховуються в якості вимірювань вирішальні статистики всіх відміток в стробі супроводження. 2. Удосконалено метод послідовного виявлення траєкторії МБПЛА FMCW радаром на основі критерію Вальда, шляхом використанням при розрахунку часткового відношення правдоподібності вирішальної статистики найсильнішої відмітки в стробі супроводження. 3. Удосконалено метод виявлення зриву супроводження МБПЛА FMCW радаром на основі критерію l n/ , шляхом додаткової перевірки основної гіпотези щодо закону розподілу накопичених вирішальних статистик найсильніших відміток, отриманих в стробах супроводження, проти альтернативи із заданим рівнем значущості. 4. Удосконалено метод виявлення МБПЛА FMCW радаром при невідомій потужності шуму, в якому в якості максимально правдоподібної оцінки потужності шуму використовується середнє значення навчаючої вибірки, отриманої з далекомірно-доплерівського портрету, об’єм якої визначається з використанням заданої ймовірності хибної тривоги і довірчої ймовірності її виходу за межі довірчого інтервалуПрактичне значення одержаних результатів полягає у тому, що: 1. Удосконалний метод послідовного виявлення траєкторії МБПЛА FMCW радаром на основі критерію Вальда у порівнянні з методом, що не використовує вирішальні статистики відміток, забезпечує збільшення ймовірності виявлення траєкторії цілі при хибної тривоги до 50% і 34% і зменшення число оглядів в 4 та 2.5 рази відповідно. Ймовірність хибного виявлення траєкторії цілі для розробленого алгоритму менше ніж на порядок. 2. Розроблений метод адаптивного супроводження МБПЛА з ймовірнісною ідентифікацією даних з використанням вирішальних статистик відміток, дозволяє зменшити ймовірність зриву супроводження у порівнянні з алгоритмами супроводження з ототожненням даних за методами «найсильніший сусід» і «найближчий сусід» при ВСШ 4 дБ до 2.5 і 5.5 разів відповідно і збільшити середній час супроводження цілі до 18% і 38% відповідно в діапазоні ймовірності хибної тривоги 3 2 10 10 − − . 3. Удосконалений метод виявлення зриву супроводження траєкторії цілі за критерієм 3 / 4 з накопиченням вирішальної статистики найсильнішої відмітки дозволяє підвищити ймовірність правильного виявлення зриву супроводження в 2–8 разів при ймовірності хибної тривоги 3 2 2.5 10 7.5 10 − − , у порівнянні з алгоритмом, який не використовує вирішальні статистики. Середній час виявлення зриву траєкторії цілі зменшується в 2.4 - 3.3 рази. 4. Розроблений алгоритм адаптивного супроводження маневруючого МБПЛА трикоординатним FMCW радаром забезпечує розпізнавання різних видів руху МБПЛА з імовірностями вище 0.9, що дозволяє формувати строби супроводження адекватно поточній ситуації. При прямолінійному русі і зависанні МБПЛА, адаптивний фільтр забезпечує СКВ похибок прогнозу і оцінки координат до 4.3 і 1.8 разів менше, ніж на ділянках руху з маневром. 5. При реалізації радара в надвисокочастотному діапазоні частот з використанням гібридно–інтегральних технологій і потужності випромінювання 1 Вт, забезпечується виявлення і супроводження цілі з ЕПР 2 0.01 м розробленими алгоритмами з відстані 1000 м. 6. Використання 1% обчислювальної потужності система на кристалі (СнК) SX2800 для реалізації розробленого адаптивного алгоритму супроводження маневруючого МБПЛА трикоординатним FMCW радаром забезпечує супроводження 2.5 тис. траєкторій.