Інерціально-візуальна навігаційна система безпілотного літального апарату
Вантажиться...
Дата
2026
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Черненко 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.
Опис
Ключові слова
навігаційна система, безпілотний літальний апарат, система орієнтації, візуальна навігація, рельєфометрична навігація, оптична камера, інерціальний вимірювальний модуль, комплексування, фільтр Калмана, navigation system, unmanned aerial vehicle, orientation system, visual navigation, terrain-referenced navigation, optical camera, inertial measurement unit, integration, Kalman filter
Бібліографічний опис
Черненко, С. О. Інерціально-візуальна навігаційна система безпілотного літального апарату : дис. … д-ра філософії : 173 Авіоніка / Черненко Сергій Олександрович. - Київ, 2026. - 147 с.