Застосування оптичної стабілізації для корекції ІНС літального апарату



Метою дослідження є огляд існуючих алгоритмів та засобів стабілізації БПЛА, дослідження можливості використання оптичних систем для стабілізації положення літальних апаратів у просторі. Розглянуто застосування методу фазової кореляції для визначення зміщення корпусу БПЛА відносно поверхні рельєфу. Запропоновано підхід до покращення характеристик ІНС шляхом корекції усталеної похибки за швидкістю.

Ключові слова: БПЛА, оптична стабілізація, інерційна навігація, обробка зображень, фазова кореляція

The use of the optical stabilization for the aircraft INS performance enchancement

The research goal is to review of existing algorithms of the UAV stabilization, study of the possibility of using optical systems to stabilize the aircraft in environment. The method to determine the UAV corps shift relative to the surface image by use of phase correlation analysis was proposed. Found an approach to improve the performance of the INS performance by correcting its steady offset error.

Keywords: UAV, optical stabilization, inertial navigation, image processing, phase correlation

Dreval O. student, bachelor NTUU «KPI» FICT, ACTS

Doroshenko A. Dr. Sc. NTUU «KPI» FICT, ACTS

Kiev, Ukraine

Вступ

З розвитком науково-технічного прогресу безпілотні літальні апарати (БПЛА) набули широкої популярності у різноманітному класі задач. Використання БПЛА створює додаткові можливості отримувати видову інформацію з місцевості, на якій важко розмістити оператора (спостерігача). Важливою умовою для отримання якісних фото- та відеоданих є стабільне положення БПЛА у просторі. Для забезпечення задачі стабілізації зазвичай використовується комбінований підхід, що передбачає застосування у комплексі інерційної навігаційної системи, магнітометричного обладнання, супутникових навігаційних систем — GPS, ГЛОНАСС та ін. [1]

Інерційна навігаційна система БПЛА

Використання інерційної навігаційної системи як основної накладає певні обмеження на роботу стабілізаційної системи БПЛА. Головним недоліком є неможливість компенсації руху БПЛА з постійною швидкістю, оскільки складові компоненти інерційної навігаційної — гіроскоп та акселерометр системи чутливі лише до зміни значення швидкості (прискорення). За умов ідеальної моделі (похибка інтегрування строго дорівнює 0, початкова швидкість БПЛА у просторі нульова) інерційна навігаційна система забезпечуватиме ідеальну стабілізацію положення апарату у просторі в будь-який момент часу. В реальних умовах при перетворенні «прискорення → швидкість» з часом збільшуватиметься значення усталеної похибки за швидкістю у просторі. [2]

Класична модель управління БПЛА передбачає наявність оператора, в задачі якого входить корекція усталеної похибки інерційної системи. Якщо має місце постановка задачі, в якій наявні вимоги до такого режиму експлуатації БПЛА, як автоматичне підтримання заданого положення у просторі без участі оператору протягом тривалого часу (наприклад, оператор в цей час керує підвісом видової телекамери, озброєнням БПЛА, або навіть іншим БПЛА), інерційної навігаційної системи виявляється недостатньо. Задача стабілізації положення БПЛА у просторі без активної участі оператора також виникає коли зв'язок з оператором втрачено,або заблоковано зовнішніми перешкодами.

Рис. 1: Схема стабілізаційного апарату БПЛ

Широкоро зповсюдженим рішенням даної проблеми є використання навігаційних систем —сигнал позиціювання з відповідного модуля використовується для компенсації дрейфу нуля головної інерційної навігаційної системи. Однак, через порівняно низьку точність супутникових навігаційних систем доступних для цивільного використання, позицію БПЛА не завжди можливо жорстко зафіксувати. Іншим недоліком даного підходу є небезпека блокування сигналів супутникових навігаційних систем третіми особами, або навіть їх підробка, внаслідок чого БПЛА може втратити керування. Компенсацію дрейфу нуля гіроскопів зазвичай здійснюють за допомогою магнітометричного обладнання (електронний компас). Структурну схему стабілізаційного обладнання БПЛА показано на рис. 1 - головним компонентом є інерційна навігаційна система (ІНС), для компенсації усталеної похибки використовується супутникова навігаційна система (GPS) та магнітометричне обладнання (ММ), що виконують допоміжну роль (показано пунктиром). Зв'язок з оператором забезпечується системою зв'язку (СЗ).

Оптичний стабілізатор

Для вирішення описаної вище задачі пропонується використати якісно інший підхід до стабілізації усталеного положення БПЛА з використанням оптичних систем видимого діапазону. Основою системи стабілізації, як і раніше, залишається модуль інерційної навігаційної системи. Модулі магнітометрії та супутникової навігаційної системи можуть бути залишені, оскільки вони корисні для визначення глобальних координат апарату та його орієнтації у просторі, також на випадок неможливості застосування оптичного стабілізатору — наприклад, при польоті в темний час доби, або інших перешкодах (туман, дим, погана видимість, тощо). Для компенсації усталеної похибки інерційної навігаційної системи вводиться оптичний стабілізатор, що встановлюється на нижній поверхні БПЛА. Модифіковану схему показано на рис. 2 - додано оптичний стабілізатор (ОПСТ), що виконує допоміжну роль при компенсації дрейфу нуля обладнання інерційної навігаційної системи.

Рис. 2: Схема стабілізаційного апарату з доданням оптичного стабілізатору

Конструктивно оптичний стабілізатор являє собою цифрову відеокамеру за невеликою роздільною здатністю (роздільна здатність підбирається таким чином, щоб чітко розрізнювалися особливості рельєфу цільової місцевості для польотів БПЛА) з'єднану з цифровим процесором обробки сигналів (DSP). Головною вимогою до оптичного сенсору є його швидкодія — основною мірою саме від швидкодії оптичного сенсору залежить реакція оптичного стабілізатору. На підставі аналізу низки послідовних знімків, DSP вираховує підсумкові показники, що свідчать про направлення переміщення БПЛА у просторі, і передає результати своєї роботи у модуль інерційної навігаційної системи, де вони використовуються для корекції показників швидкості та кутової швидкості (у випадку відсутності модуля магнітометрії).

Задача, що виконує DSP оптичного стабілізатору уданій системі є технологічно близькою до задачі визначення переміщення комп'ютерного оптичного маніпулятору «миша», де використовується схожий принцип роботи — після аналізу послідовності знімків поверхні (що представляють собою квадратну матрицю з пікселів різної яскравості), вираховуються підсумкові показники, що свідчать про направлення переміщення миші уздовж осей Х і Y.

Також схожий принцип використовується при обробці відео для програмної стабілізації«смикання» зображення, що виникає при відеозаписі «з рук», без використання штативу або апаратних стабілізаторів.

Математичний апарат оптичного стабілізатору

Отже, для формування корегуючого впливу з оптичного стабілізатору необхідним є визначення зміщення зображення вздовж осей Х та Y відносно попереднього зображення. Швидким та широко розповсюдженим методом, що дозволяє виконати це завдання є фазова кореляція, що використовує перехід у частотну область для визначення взаємного паралельного зсуву двох однакових зображень. Загальний алгоритм перетворення виглядає наступним чином. Застосуємо віконну функцію (наприклад, Вікно Геммінга або вікно Ханна) на обох зображеннях, щоб зменшити вплив крайових ефектів.[3] Потім, розрахуємо дискретне двовимірне перетворення Фур'є для обох зображень ${{g}_{a}}$ і ${{g}_{b}}$:

\[{{G}_{a}}=F\left\{{{g}_{a}} \right\}\quad\quad\quad(1)\]\[{{G}_{b}}=F\left\{{{g}_{b}} \right\}\quad\quad\quad(2)\]

Розрахуємо взаємну спектральну щільність:

\[R=\frac{{{G}_{a}}\circ G_{b}^{*}}{\left| {{G}_{a}}\circ G_{b}^{*} \right|}\quad\quad\quad(3)\]

де $\circ $ є поелементним добутком (добуток Адамара).

Отримуємо нормалізовану крос-кореляцію застосовуючи зворотне перетворення Фур'є:

\[r={{F}^{-1}}\left\{R \right\}\quad\quad\quad(4)\]

Зміщення визначається як положення піку результату (4):

\[\left( \Delta x,\Delta y \right)=\arg \underset{(x,y)}{\mathop{\max }}\,\left\{ r \right\}\quad\quad\quad(5)\]

Результат (5) дає нормоване значення зміщення, яке неважко представити у вигляді зміщення на іншу величину (наприклад, пікселі або, знаючи розміри об'єктів зображення,метри).[4, 5] Для отримання керуючого впливу,що далі застосовується для здійснення корекції у модулі інерційної навігаційної системи використовується фільтрація та ПІД регулятор. Спрощена схема показана на рисунку 3.

Рис. 3: Спрощена схема модулю оптичної стабілізації

Отриманий керуючий вплив використовується як зворотній зв'язок у контурі керування БПЛА, до якого входить інерційна навігаційна система для зведення до нуля усталеної похибки за швидкістю. ПІД регулятор забезпечує швидку реакцію системи на переміщення, що можуть бути викликані зовнішніми збуреннями такими, як вітер, сторонні об'єкти тощо.

Перевагами такого підходу є простота реалізації, порівняно невисокі вимоги до характеристик DSP [6], нульова усталена похибка за швидкістю у горизонтальній площині. До недоліків можна віднести чутливість до змін спостережуваної поверхні (якщо поверхня не є стійкою, наприклад, потік води, то можливості оптичної стабілізації значно скорочуються, оскільки в такому випадку на результат обчислень буде впливати власний рух поверхні), відсутність стабілізації по вертикальній осі, чутливість до змін куту нахилу апарату (при значних кутах нахилу БПЛА зображення істотно спотворюється і зміщення визначається невірно).

Висновки

Запропонований підхід може бути застосовано для збільшення точності встановлення стійкого положення мультироторних БПЛА здатних утримувати позицію у просторі (наприклад, три-, квадро-, мультикоптери) як за участі оператора так і без неї. Перспективною є можливість застосування оптичної стабілізації у повністю автономних БПЛА, що керуються штучним інтелектом. Також встановлення відеокамери з DSP створює потенційні можливості реалізації алгоритмів слідкування за рухомим об'єктом, розпізнавання та інших. [7]

Перелік посилань:

$1.$ Глотов В. Аналіз можливостей застосування безпілотних літальних апаратів для аерознімальних процесів / B. Глотов, А. Гуніна. // Cучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. – 2014. – №28. – С. 65–70.

$2.$ Пельпор Д. С. Гироскопические системы ориентации и навигации / Д. С. Пельпор. – Москва: Машиностроение, 1982. – 165 с.

$3.$ Попов В. С. Исследование влияния боковых лепестков спектра окон на погрешности обработки и передачи сигнала [Електронний ресурс] / В. С. Попов //Информационные системы и телекоммуникации. – 2010. – Режим доступу до ресурсу: windowing-matlab.narod.ru.

$4.$ Harris F. J. On the use of windows for harmonic analysis with the discrete Fourier transform / F. J. Harris. // Proceedings of the IEEE. – 1978. – № 66. – С. 51–83.

$5.$ Harold S. S. A Fast Direct Fourier-Based Algorithm for Subpixel Registration of Images/ S. S. Harold. // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. – 2001.– № 39. – С. 10.

$6.$ Колобородов В. Г. Застосування методів і алгоритмів цифрової обробки зображень в оптико-електронних приладах / В. Г. Колобородов, К. В. Харитоненко. // Вісник НТУУ “КПІ”. – 2010. – №40. – С. 23–31.

$7.$ Ростопчин В. В. Применение цифровых оптических систем для беспилотных летательных аппаратов [Електронний ресурс] / В. В. Ростопчин, М. Л. Дмитриев – Режим доступу до ресурсу: www.uav.ru/articles/opteq_uav.pdf.

Mar 27, 2017