Інерціально-візуальна навігаційна система безпілотного літального апарату

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorБобков, Юрій Володимирович
dc.contributor.advisorБурнашев, Віталій Віталійович
dc.contributor.authorЧерненко, Сергій Олександрович
dc.date.accessioned2026-06-29T09:33:55Z
dc.date.available2026-06-29T09:33:55Z
dc.date.issued2026
dc.description.abstractЧерненко 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.
dc.description.abstractotherChernenko S.O. Inertial–Visual Navigation System of an Unmanned Aerial Vehicle. – Qualification scientific work as a manuscript. Dissertation submitted for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 173 “Avionics” – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2026. The work was carried out at the Department of Aircraft Control Systems of the National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute” of the Ministry of Education and Science of Ukraine. The dissertation is devoted to the development of navigation and orientation methods to ensure long-duration low-altitude autonomous flight of a fixed-wing unmanned aerial vehicle (UAV) using information from optical cameras and inertial sensors. The research topic is related to the development of navigation and orientation systems capable of ensuring long-duration low-altitude UAV flight in autonomous mode after a single short-term use of navigation information from a global navigation satellite system (GNSS) receiver within an integrated onboard system. Flight at an altitude of 30–50 meters is considered, under which existing visual navigation methods become ineffective due to the narrow field of the underlying surface captured by the camera, as well as significant perspective distortions of objects in the image frame. Long-duration flight is understood as a flight duration leading to the inability of the inertial navigation system, without correction, to maintain the required accuracy due to error accumulation over time. The navigation and orientation methods developed in the dissertation make it possible, under such conditions, to limit the resulting navigation errors of the UAV system through the use of onboard optical cameras and specialized algorithms for processing primary data. The proposed navigation method involves loading reference maps of surface fields into the memory of the onboard navigation computer for subsequent comparison with measurements of surface field parameters during flight. The detected correspondence between current maps and reference maps enables the generation of navigation information onboard the UAV suitable for correcting the inertial navigation system. The presence of such correction significantly improves the performance of the navigation system during autonomous flight by compensating for errors of primary inertial sensors within the integrated system. The feasibility of hardware implementation of the developed methods is demonstrated, which is ensured by the use of simple mathematical relationships allowing the application of low-performance onboard computing devices in real-time conditions. The purpose of the dissertation is to develop methods for determining navigation and orientation parameters capable of ensuring long-duration low-altitude autonomous flight based on information from optical cameras and inertial sensors under conditions of perspective image distortions, without the use of visual landmarks and without horizon line extraction. In the first chapter, an analysis of existing methods and means of autonomous navigation for UAVs is carried out. The features of navigation systems based solely on optical cameras are considered, as well as the possibilities of their integration with an inertial measurement unit (IMU). Based on the analysis, the scientific problem of the dissertation is formulated. In the second chapter, a UAV orientation method based on data from optical cameras and angular rate sensors (gyroscopes) is developed. Simulation modeling of the orientation system using one and two optical cameras is performed, and its accuracy is investigated. The results demonstrate that the proposed method limits orientation errors during autonomous flight. In the third chapter, a method of inertial–visual navigation based on terrain and visual surface fields is developed. Simulation modeling of the navigation algorithm using the terrain field is performed. Preconditions for the use of both fields are formulated. Their simultaneous use is justified by the need to reduce the complexity of navigation algorithms based on surface fields and to decrease the dependence of system performance and accuracy on surface field heterogeneity. Simulation modeling of the navigation system operation using two surface fields is carried out. In the fourth chapter, an integrated system using a Kalman filter (KF) for state vector estimation is developed. A method for initializing binary activation maps to reduce the UAV search area on the map is considered. Three possible implementations of the initial activation map initialization are presented. Even the simplest case, using rectangular initialization, demonstrates a significant reduction in possible object locations on the block map. A substantial improvement in the performance of the integrated navigation system is demonstrated. Simulation modeling confirms the feasibility of such a system. In the fifth chapter, the results of experimental semi-physical studies involving UAV flight along a real trajectory are presented. A numerical analysis of positioning accuracy and bias estimation is performed. The system operability is also analyzed using bitwise AND operations between activation maps. Scientific novelty of the results 1. A new method for determining position coordinates based on comparison of visual and elevation reference maps with corresponding onboard measurements is proposed. It differs from existing methods by the use of cumulative binary activation maps and by combining, through them, information from two surface fields simultaneously—terrain and visual. 2. A new inertial–visual orientation method is proposed, based on determining the displacement of strips between current and previous reference images and correcting orientation angles obtained from angular rate sensors. Unlike existing methods, it does not extract the horizon line and does not use feature points. 3. For the first time, a relationship is obtained between the required resolution of reference maps, positioning accuracy of the inertial–visual navigation system, accuracy of its sensors, block map size, and flight speed. 4. For the first time, in image processing for determining three orientation angles using a system consisting of three gyroscopes and two optical cameras, both the least squares method and the correlation-extreme method are simultaneously applied, which limits error growth over time. 5. For the first time, a relationship is obtained for determining the required width of the image strip for UAV orientation depending on allowable errors of gyroscopes and cameras. Practical significance 1. Based on the proposed positioning method, a navigation algorithm has been developed and implemented in an integrated inertial–visual navigation system. 2. The proposed visual orientation method is used in an emergency orientation system of an aircraft. 3. The obtained relationship for determining the required map resolution allows selecting maps, reducing their precision to ensure algorithm robustness and decrease computational load, as well as selecting system sensors. 4. The obtained relationship for determining the required image strip width in the inertial–visual orientation algorithm allows reducing requirements for onboard computing hardware and selecting appropriate characteristics of angular rate sensors. 5. The results of the work, namely the visual orientation method and the navigation algorithm using visual and terrain reference surface fields, have been implemented at the State Enterprise “Luch Design Bureau” within a project of an integrated navigation system. Publications The main scientific results of the dissertation are published in 3 scientific articles in professional journals included in the list of Ukrainian scientific publications (category “B”) and in 2 conference proceedings.
dc.format.extent147 с.
dc.identifier.citationЧерненко, С. О. Інерціально-візуальна навігаційна система безпілотного літального апарату : дис. … д-ра філософії : 173 Авіоніка / Черненко Сергій Олександрович. - Київ, 2026. - 147 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/81976
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectнавігаційна система
dc.subjectбезпілотний літальний апарат
dc.subjectсистема орієнтації
dc.subjectвізуальна навігація
dc.subjectрельєфометрична навігація
dc.subjectоптична камера
dc.subjectінерціальний вимірювальний модуль
dc.subjectкомплексування
dc.subjectфільтр Калмана
dc.subjectnavigation system
dc.subjectunmanned aerial vehicle
dc.subjectorientation system
dc.subjectvisual navigation
dc.subjectterrain-referenced navigation
dc.subjectoptical camera
dc.subjectinertial measurement unit
dc.subjectintegration
dc.subjectKalman filter
dc.subject.udc629.7.05:004.932
dc.titleІнерціально-візуальна навігаційна система безпілотного літального апарату
dc.title.alternativeInertial–Visual Navigation System of an Unmanned Aerial Vehicle
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Chernenko_dys.pdf
Розмір:
10.99 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (СКЛА)
Дисертації (вільний доступ)