Дисертації (СКЛА)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Інерціально-візуальна навігаційна система безпілотного літального апарату(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2026) Черненко, Сергій Олександрович; Бобков, Юрій Володимирович; Бурнашев, Віталій ВіталійовичЧерненко С.О. Інерціально-візуальна навігаційна система безпілотного літального апарату. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 173 «Авіоніка» – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Підготовка здійснювалася на кафедрі систем керування літальними апаратами Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України. Дисертаційна робота присвячена розробці методів навігації та орієнтації для забезпечення довготривалого низьковисотного автономного польоту безпілотного літального апарата (БпЛА) літакового типу за інформацією від оптичних камер та інерціальних чутливих елементів. Тематика дослідження пов’язана з розробкою систем навігації і орієнтації, здатних забезпечити довготривалий низьковисотний політ БпЛА в автономному режимі після однократного короткочасного використання навігаційної інформації від приймача глобальної супутникової навігаційної системи (ГСНС) у складі бортової системи комплексування. Розглядається політ на висоті 30-50 метрів, за якого відомі методи візуальної навігації є недієвими через вузькість полоси підстилаючої поверхні, що захоплює камера, а також суттєві спотворення перспективи зображень об’єктів в кадрі. Під довготривалим польотом розглядається така тривалість польоту, що призводить до втрати здатності інерціальної навігаційної системи без корекції забезпечувати потрібну точність через накопичення похибок з часом. Розроблені в дисертації методи навігації та орієнтації дозволяють в таких умовах обмежити результуючі похибки навігаційної системи БпЛА за рахунок використання на борту оптичних камер та спеціальних алгоритмів для обробки первинної інформації. Запропонований метод навігації передбачає завантаження в пам'ять бортового навігаційного обчислювача еталонних карт поверхневих полів, для їхнього подальшого порівняння з вимірюваннями параметрів поверхневого поля під час польоту. Визначене співпадіння поточних карт з еталонними дає можливість сформувати на борту БпЛА навігаційну інформацію, придатну для корекції інерціальної навігаційної системи. Наявність такої корекції дає можливість значно покращити характеристики навігаційної системи під час автономного польоту за рахунок компенсації похибок первинних інерціальних вимірювачів системою комплексування. Визначена придатність розроблених методів до апаратної реалізації, що зумовлена використанням простих математичних співвідношень, які дозволяють застосовувати невибагливі бортові обчислювальні пристрої в умовах реального часу. Метою дисертаційної роботи є розробка методів визначення параметрів навігації та орієнтації, здатних забезпечити довготривалий низьковисотний автономний політ за інформацією від оптичних камер і інерціальних чутливих елементів в умовах спотворень перспективи зображення, та без використання візуальних навігаційних орієнтирів і виділення лінії горизонту. У першому розділі проведено аналіз відомих методів та засобів автономного навігаційного забезпечення безпілотних літальних апаратів, розглянуті особливості функціонування навігаційних систем, що використовують лише оптичні камери. Розглянуті можливості їхнього інтегрування з інерціальним вимірювальним модулем(ІВМ). На основі проведеного аналізу сформульовано наукову задачу дисертаційної роботи. Другий розділ присвячено розробці методу орієнтації БпЛА за інформацією від оптичних камер та датчиків кутової швидкості (ДКШ). Проведене імітаційне моделювання роботи системи орієнтації з використанням однієї та двох оптичних камер, а також досліджено точність системи. Вони показали, що запропонований метод дозволяє обмежити похибки орієнтації під час автономного польоту. Третій розділ містить розробку методу інерціально-візуальної навігаційної системи по рельєфометричному та візуальному поверхневому полю. Проведено імітаційне моделювання розробленого алгоритму навігації за рельєфометричним поверхневим полем. Сформульовані передумови використання обох полів та Необхідність їхнього одночасного використання обумовлена потребою зниження складності навігаційних алгоритмів по поверхневим полям, а також зменшенням залежності можливості функціонування та їхньої точності від неоднорідності поверхневого поля. Виконано імітаційне моделювання роботи навігаційної системи за двома поверхневими полями. Четвертий розділ присвячено створенню системи комплексування з використанням фільтра Калмана (ФК) для оцінки елементів вектору стану. Розглядається методика ініціалізації початкових значень бінарних карт активації для зменшення області пошуку БпЛА на карті. Приведено три приклади можливої реалізації ініціалізації початкової карти активації. Навіть самий простий приклад з використанням ініціалізації карти активації прямокутником демонструє суттєве зменшення місць можливого місцеположення об’єкта на блок карті. Продемонстровано суттєве покращення роботи такої навігаційної системи як інтегрованої. Проведено імітаційне моделювання, що демонструє можливість функціонування такої системи. П’ятий розділ містить результати експериментального напівнатурного дослідження з польотом БпЛА за реальною траєкторією. Проведений чисельний аналіз точності визначення місцеположення і оцінка зміщення нуля. Також проведений аналіз роботоздатності за рахунок використання побітового «І» між картами отриманими активації. Наукова новизна отриманих результатів 1. Запропоновано новий метод визначення координат місцеположення на основі порівняння візуальної та висотної еталонних карт місцевості з відповідними виміряними параметрами на борту БпЛА. Він відрізняється від вже відомих використанням кумулятивних бінарних карт активації, а також поєднанням за їх допомогою інформації про місцеположення одночасно від двох поверхневих полів – рельєфометичного та візульного. 2. Запропоновано новий метод інерціально-візуальної орієнтації, оснований на визначенні зміщення смуги поточного і попереднього еталонного зображень камери та корекції кутів орієнтації, отриманих з датчиків кутової швидкості. На відміну від відомих він не виділяє лінію горизонту та не використовує особливі точки. 3. Вперше отримане співвідношення між необхідною роздільною здатністю еталонних карт, точністю визначення місцеположення інерціально-візуальною навігаційною системою, точністю її вимірювачів, розміром блок карти та швидкістю польоту. 4. Вперше при обробці зображень для визначення трьох кутів орієнтації системою в складі трьох ДКШ та двох оптичних камер одночасно застосовано метод найменших квадратів та кореляційно-екстремальний метод, що дозволяє обмежити зростання похибок в часі. 5. Вперше отримане співвідношення для визначення ширини необхідної для визначення орієнтації БпЛА смуги зображення в залежності від допустимих похибок ДКШ та камери. Практичне значення роботи 1. На основі запропонованого методу визначення координат місцеположення розроблений алгоритм навігації, програмна реалізація якого використана в комплексованій інерціально-візуальній навігаційній системі. 2. Запропонований метод візуальної орієнтації використаний в аварійній системі орієнтації літального апарата. 3. Отримане співвідношення для визначення необхідної роздільної здатності карт дозволяє обирати карти, загрублювати їх точність для забезпечення стійкості алгоритму та зниження обчислювального навантаження, а також обирати чутливі елементи системи. 4. Отримане співвідношення для визначення необхідної ширини смуги зображення в інерціально-візуальному алгоритмі орієнтації дозволяє знижувати вимоги до бортового обчислювального обладнання, а також обирати потрібні характеристики датчиків кутової швидкості для забезпечення неперевищення допустимої похибки орієнтації. 5. Результати роботи, а саме метод візуальної орієнтації та навігаційний алгоритм з використанням візуального та рельєфометричного еталонних поверхневих полів, впроваджені на ДП «ДержККБ «ЛУЧ» в проєкті комплексованої навігаційної системи. Публікації. Основні наукові результати дисертаційної роботи опубліковані у 3 наукових статтях у фахових виданнях, включених до переліку наукових фахових видань України категорії «Б», у 2 тезах доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях.Документ Відкритий доступ Автокомпенсація інструментальних похибок акселерометрів автономної інерціальної навігаційної системи крейсерського рухомого об’єкту(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2026) Лесюк, Маркіян Павлович; Черняк, Микола ГригоровичЛесюк М.П. Автокомпенсація інструментальних похибок акселерометрів автономної інерціальної навігаційної системи крейсерського рухомого об’єкту. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 173 «Авіоніка» – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Підготовка здійснювалася на кафедрі систем керування літальними апаратами Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України. Дисертаційна робота присвячена розробці методу автокомпенсації інструментальних похибок акселерометрів автономної безплатформної інерціальної навігаційної системи крейсерського рухомого об’єкта, що забезпечує підвищення точності інерціального визначення горизонтальних проекцій лінійної швидкості та координат за умов тривалої автономної роботи. Тематика дослідження пов’язана з підвищенням точності автономних інерціальних навігаційних систем, у яких навігаційна задача розв’язується виключно за результатами вимірювання проекцій лінійного прискорення та кутової швидкості, а накопичення навігаційних похибок зумовлене інструментальними похибками первинних датчиків. Особливу увагу приділено адитивним та квазіадитивним похибкам горизонтальних акселерометрів, що в умовах крейсерського руху – коли об’єкт більшу частину траєкторії рухається паралельно площині горизонту та практично не маневрує – лінійно інтегруються у похибки швидкості та квадратично у похибки координат, істотно обмежуючи можливу тривалість автономної навігації. Для сучасних крейсерських рухомих об’єктів особливо актуальним є забезпечення високої точності навігаційних систем в умовах радіоелектронної протидії, навмисного придушення супутникових радіонавігаційних сигналів та обмеженої доступності зовнішніх коригувальних вимірювань. У таких умовах просте підвищення класу точності акселерометрів або перехід до комплексованих систем не забезпечує потрібного поєднання автономності, вартості та точності. Це зумовлює необхідність розробки спеціальних методів зменшення впливу інструментальних похибок, які не вимагають їхнього прямого оцінювання та корекції. В роботі розглядається підхід, у межах якого автокомпенсація інструментальних похибок реалізується за рахунок модуляційних рухів горизонтальних акселерометрів, що перетворюють сталі похибки у періодичні складові з нульовим середнім значенням у навігаційній системі координат. Для обґрунтування та синтезу такого методу використовуються сучасні засоби математичного моделювання, побудова детальних математичних моделей інструментальних похибок та їхнього впливу на навігаційні похибки, а також розробка алгоритмів обробки вимірювань, придатних до реалізації в реальному навігаційному обладнанні. Метою дисертаційної роботи є зменшення навігаційних похибок автономної безплатформної інерціальної навігаційної системи крейсерського рухомого об’єкта шляхом застосування методу автокомпенсації інструментальних похибок горизонтальних акселерометрів за допомогою модуляційного обертання. У першому розділі проведено всебічний огляд існуючих методів зменшення впливу інструментальних похибок акселерометрів на точність автономних і комплексованих безплатформних інерціальних навігаційних систем крейсерських рухомих об’єктів. Розглядаються сучасні підходи до підвищення точності інерціальної навігації, зокрема використання високоточних датчиків, комплексованих систем та методів ротаційної модуляції, аналізуються їхні переваги й обмеження, обґрунтовується доцільність розвитку саме автономної безплатформної інерціальної навігаційної системи з автокомпенсацією інструментальних похибок акселерометрів. Другий розділ присвячено розгляду впливу інструментальних похибок навігаційних акселерометрів на точність автономної безплатформної інерціальної навігаційної системи крейсерського рухомого об’єкта на етапах початкового виставлення та навігації. На основі аналізу отриманих виразів формулюються узагальнені вимоги до інструментальних похибок акселерометрів. У третьому розділі розроблені математичні моделі методу автокомпенсації інструментальних похибок горизонтальних акселерометрів у складі безплатформної інерціальної навігаційної системи шляхом їх модуляційного обертання. Подається опис реалізації модуляційного обертання та особливості застосування для крейсерських рухомих об’єктів. Розроблені математичні моделі похибок методу автокомпенсації інструментальних похибок акселерометрів. Проводиться аналіз залишкових навігаційних похибок, що зумовлені неточностями реалізації модуляційних рухів, похибками кутових датчиків, неортогональністю осей чутливості акселерометрів. У четвертому розділі описані експериментальні стенди та методики дослідження ефективності методу автокомпенсації інструментальних похибок акселерометрів. Наведено результати експериментальних досліджень модуляційного обертання, а також порівняння експериментальних даних із результатами математичного моделювання. П'ятий розділ присвячено побудові навігаційного блока акселерометрів із застосуванням методу автокомпенсації їх похибок, опису конструктивних рішень та результатам експериментальних випробувань блока у складі автономної безплатформної інерціальної навігаційної системи крейсерського рухомого об’єкта. На основі отриманих результатів сформульовані висновки щодо використання розробленого блока в реальних системах та роботоздатності підходу для побудови таких блоків датчиків. Наукова новизна отриманих результатів 1. Розвинуто автокомпенсаційний метод підвищення точності гіроскопічних систем для зменшення впливу інструментальних адитивних похибок горизонтальних акселерометрів безплатформної інерціальної навігаційної системи на похибки визначення горизонтальних проєкцій лінійної швидкості та координат шляхом модуляційного обертання цих акселерометрів навколо вертикальної приладової осі, що дозволяє зменшити на один ступінь залежність похибок визначення горизонтальних проєкцій лінійної швидкості та координат від часу. 2. Вперше встановлено, що в безплатформній інерціальній навігаційній системі при застосуванні методу автокомпенсації: - збільшення швидкості модуляційного обертання акселерометрів додатково призводить до пропорційного зменшення похибок визначення горизонтальних лінійних швидкостей і координат рухомого об’єкту, що, відповідно, підвищує ефективність застосування методу; - не відбувається зменшення впливу мультиплікативних та випадкових похибок горизонтальних акселерометрів на вище вказані інструментальні похибки безплатформної інерціальної навігаційної системи. 3. Визначено вплив реальних технологічних похибок реалізації безплатформної інерціальної навігаційної системи із застосуванням методу автокомпенсації, таких як адитивні похибки акселерометрів, похибка вимірювання кута повороту платформи, похибки встановлення акселерометрів на платформу, похибки відхилення реальної осі обертання від вертикальної приладової осі безплатформної інерціальної навігаційної системи, на вище згадані інструментальні похибки. Показано шляхи усунення/зменшення цього впливу до допустимого рівня. Практичне значення роботи 1. Отримано аналітичні формули, що дозволяють при проєктуванні автономної безплатформної інерціальної навігаційної системи із застосуванням методу автокомпенсації: - при відомих значеннях адитивних похибок акселерометрів та частоти їх модуляційного обертання оцінити навігаційні похибки безплатформної інерціальної навігаційної системи (задача аналізу); - за наявними вимогами до навігаційних похибок безплатформної інерціальної навігаційної системи висунути вимоги до заданих точності акселерометрів та параметрів обертального руху платформи (задача синтезу). 2. Отримано інженерні формули, що дозволяють висунути вимоги до технологічних похибок реалізації безплатформної інерціальної навігаційної системи. 3. Дороблений, за результатами виконаних досліджень, тривісний блок навігаційних акселерометрів підприємства ДП СПБ «Арсенал», шляхом застосування обертальної платформи, на яку встановлено два горизонтальних акселерометра, і випробуваний у складі макету безплатформної інерціальної навігаційної системи із застосуванням розробленого методу автокомпенсації, підтвердив високу ефективність методу. Підтвердження ефективності було проведено на лабораторній базі підприємства з дозволу адміністрації підприємства та можливістю використання результатів досліджень, отриманих аспірантом у ході виконання практичної частини дослідження для включення до тексту дисертаційної роботи, про що свідчить лист в.о. директора підприємства Юр’єва Ю. Ю. від 9 лютого 2026 (№ 225/70 12/1) року на ім’я директора НН ІАТ Коробка І. В. Також, за результатами дисертаційних досліджень, було складено Акт про використання результатів досліджень дисертаційної роботи в ДП СПБ «Арсенал» (Додаток Д). Публікації. Основні наукові результати дисертаційної роботи опубліковані у 1 науковій статті у фаховому виданні, включеному до переліку наукових фахових видань України категорії «А» яке індексуються в Scopus, у 2х наукових статтях у фахових виданнях, включених до переліку наукових фахових видань України категорії та «Б», у 2 тез доповідей на міжнародних науково–технічних конференціях.Документ Відкритий доступ Інваріантна до збурень оптимальна система керування оптичною віссю камери(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2025) Осокін, Владислав Сергійович; Збруцький, Олександр ВасильовичОсокін В.С. Інваріантна до збурень оптимальна система керування оптичною віссю камери. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 173 «Авіоніка» – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Підготовка здійснювалася на кафедрі систем керування літальними апаратами Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України. Дисертаційна робота присвячена розробці інваріантної до збурень системи керування оптичною віссю камери для авіаційних і космічних застосувань, що дозволяє стабілізувати і контролювати зображення з оптичних приладів з високою точністю в умовах невизначених зовнішніх збурень. Тематика дослідження пов’язана з розробкою систем керування, які мають інваріантність до збурень і забезпечують стабільне керування оптичною віссю камери в умовах невизначених і змінних зовнішніх впливів. Системи стабілізації та керування, які здатні працювати з високою точністю в умовах невизначеності, мають особливе значення для сучасної авіаційної та космічної техніки. Однією з найважливіших задач є забезпечення стабільності і точності автоматичних систем керування, які керують оптичною віссю камер тепловізійних пристроїв, що використовуються на літальних апаратах різного призначення. При цьому особлива увага приділяється здатності систем до адаптації в умовах невизначених зовнішніх збурень, які можуть суттєво впливати на формування зображення для коректного розпізнавання та наведення. Для вирішення цих задач необхідне застосування новітніх методів математичного моделювання, розробки алгоритмів керування та обчислювальних засобів, які дозволяють отримати стабільну, високоточну систему керування. Дослідження фокусується на створенні систем автоматичного керування, які базуються на принципах оберненої динамічної моделі системи. Це забезпечує можливість підвищити точність і стійкість в умовах зовнішніх збурень завдяки компенсації неконтрольованих впливів у реальному часі. Особливу роль у цьому відіграють математичні моделі, які описують динаміку систем керування оптичними системами і дозволяють передбачити її поведінку в різних умовах експлуатації. Метою дисертаційної роботи є підвищення точності систем автоматичного керування (САК) оптичною віссю камер шляхом розробки та впровадження інваріантної до збурень системи керування з використанням адаптивного коефіцієнту на основі оберненої динамічної моделі системи, що дозволяє досягти гарантованої точності в умовах непередбачуваних зовнішніх впливів. У першому розділі проведено всебічний аналіз існуючих методів і алгоритмів керування, які використовуються для стабілізації та керування оптичними осями камер. Розглянуто основні сучасні підходи, зокрема зворотну динамічну систему, адаптивне керування, робастне керування та метод активного компенсування збурень, що дозволяють забезпечити високу точність роботи САК. На основі цього аналізу сформульовано вимоги до розроблення нової системи керування, яка відповідатиме сучасним викликам в авіаційній галузі. Другий розділ присвячено розробці математичної моделі САК для керування та стабілізації оптичної осі камери, яка забезпечує гарантовану точність і стійкість перехідних процесів при змінних зовнішніх умовах. Математична модель враховує динаміку системи стабілізації та керування оптичною системою та забезпечує високу точність стабілізації зображення. Третій розділ містить розробку алгоритму автоматичного керування, що забезпечує інваріантність до збурень. Запропоновано новий алгоритм формування коефіцієнтів зворотного зв’язку на основі параметрів оптимальної системи з використанням оберененої динамічної моделі системи та додаткового контуру який базується на наближенні змінної стану до допустимої межі та дозволяє досягати гарантованої точності стабілізації при непередбачуваних відхиленнях. Представлено метод визначення параметрів додаткового контуру керування для забезпечення стійкості та адаптивності системи, що дозволяє системі підлаштовуватися до змінних умов в реальному часі. Четвертий розділ присвячено математичному моделюванню роботи розробленої системи керування гарантованої точності. Показано, що запропонований алгоритм забезпечує високу ефективність в умовах невизначених збурень. Проведено порівняння з традиційними методами, що демонструє суттєве покращення якості перехідного процесу керування та стабілізації. Практичне значення роботи полягає у можливості використання розробленої системи в авіаційних та космічних системах для підвищення ефективності роботи тепловізійних камер і сенсорів. Це досягається шляхом забезпечення гарантованої точності в роботі системи керування за умов дії невизначених збурень, зменшення похибки стабілізації та покращення якості формування і обробки зображень. Розроблені алгоритми підвищують точність цілевказівки, зменшують вплив зовнішніх факторів, таких як вібрації та сухе тертя, і забезпечують адаптивність до змін у зовнішньому середовищі. Система може бути інтегрована у складі сучасних тепловізійних приладів, систем наведення та автоматичного супроводження цілі, що використовуються у високоточній техніці. Її впровадження сприяє зростанню ефективності та конкурентоспроможності вітчизняних авіаційних і космічних технологій. Практичні результати роботи реалізовані у виробничих умовах ДП «СПБ Арсенал», що підтверджується відповідним актом впровадження (Додаток Д). Наукова новизна отриманих результатів 1. Вперше запропоновано метод формування коригуючого впливу для компенсації збурень, який базується на наближенні змінної стану до допустимої межі. Показано, що алгоритм забезпечує гарантовану компенсацію збурень та необхідну якість перехідного процесу. 2. Вперше розроблено алгоритм забезпечення інваріантності до збурень демонструє високу ефективність за різних умов, зменшує похибку стабілізації, підвищує точність керування та зберігає стабільність системи в умовах випадкових збурень, на які не накладаються обмеження. 3. Вперше запропоновано застосування підходу оберненої динамічної моделі системи для систем високого порядку для забезпечення стабільності та якості перехідного процесу системи автоматичного керування, що не залежить від характеру збурень, запропонований підхід не накладає обмежень на характер збурень оскільки не потребує їх вимірювання, що дозволяє використовувати систему в умовах змінних та непередбачуваних зовнішніх впливів. 4. Встановлений вплив кожної з алгебраїчної, диференціальної та інтегральної складових регулятора гарантування точності на динаміку системи керування, що дозволило оптимізувати параметри регулятора для підвищення швидкодії та якості перехідного процесу і компенсацію накопиченої похибки, особливо під час тривалих збурень. 5. Узагальнена математична постановка задачі гарантування точності керування як розв’язання алгебро–диференціальних рівнянь з обмеженнями. Публікації. Основні наукові результати дисертаційної роботи опубліковані у 5 наукових статтях у фахових виданнях, включених до переліку наукових фахових видань України категорії «Б», у 5 тез доповідей на міжнародних науково–технічних конференціях, 1з яких матеріали конференції індексуються в Scopus.