Методи адаптивного оцінювання параметрів руху маневруючого малорозмірного БПЛА за даними відеокамери та далекоміра
Вантажиться...
Дата
2025
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Соколов 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.
Опис
Ключові слова
безпілотний літальний апарат, БПЛА, повітряний об’єкт, комп’ютерний зір, фільтр Калмана, адаптивний алгоритм, оптимальний алгоритм, алгоритм, метод Монте-Карло, оброблення зображень, безпека, кореляційні функції, дальність виявлення, траєкторія руху, PID контролер, unmanned aerial vehicle, UAV, aircraft, computer vision, Kalman filter, adaptive algorithm, optimal algorithm, algorithm, Monte Carlo method, image processing, security, correlation functions, detection distance, movement trajectory, PID controller
Бібліографічний опис
Соколов, К. А. Методи адаптивного оцінювання параметрів руху маневруючого малорозмірного БПЛА за даними відеокамери та далекоміра : дис. … д-ра філософії : 172 Телекомунікації та радіотехніка / Соколов Кирило Анатолійович. – Київ, 2025. – 187 с.