Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.13.03 - Системи та процеси керування

МЕТОДИ КЕРУВАННЯ БЕЗПІЛОТНИМ ЛІТАЛЬНИМ АПАРАТОМ НА ОСНОВІ ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННОЇ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ СИСТЕМИ

Ваcік Мохаммед Алі Хуссейн

Харків - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному аерокосмічному університеті імені М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

Науковий керівник:	доктор технічних наук, професор Соколов Олександр Юрійович, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», завідувач кафедри інформатики (м. Харків).
Офіційні опоненти:	доктор технічних наук, професор Кулік Анатолій Степанович, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», завідувач кафедри систем управління літальних апаратів;
	доктор технічних наук, професор Удовенко Сергій Григорович Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри електронних обчислювальних машин.

Захист відбудеться «20» травня 2011 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.01 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» за адресою 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці Національного аерокосмічного університету імені М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» за адресою 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий «12» квітня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради М.О. Латкін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний розвиток авіаційної промисловості направлений на створення нових типів літальних апаратів (ЛА), серед яких безпілотні літальні апарати (БПЛА) займають вагоме місце. Існуючі моделі і методи управління ЛА, в яких переважну роль в керуванні відіграє льотчик (окрім, безперечно, режимів автопілоту), не завжди можна пристосувати для управління БПЛА. Тому актуальною є задача дослідження, створення та впровадження в реальну практику нових моделей і методів керування БПЛА різних типів.

Більшість сучасних засобів керування БПЛА базуються на класичних навігаційних системах, які запозичені з «великої» авіації і базуються на використанні інерційних систем. Інший підхід - це використання систем глобального позиціонування, таких як GPS. Однак для багатьох режимів польоту БПЛА, в яких точність керування відіграє надзвичайно велику роль, методи керування базуються на використанні оператора - людини, яка безпосередньо вирішує навігаційні задачі за допомогою дистанційного керування. До таких задач відносяться задачі посадки, обльоту перешкод, виконання спеціальних маневрів тощо. Досить часто на таких БПЛА встановлюються засоби відеоспостереження за навколишнім середовищем. Але такі засоби можна використовувати не тільки для спостереження, а й для отримання додаткової навігаційної інформації.

Одним із сучасних засобів автоматизації задач на так званих екстремальних режимах польоту є застосування «штучного зору», тобто системи відеоспостереження, яка включає модулі обробки відеосигналів, розпізнавання об'єктів на зображеннях, обрахування положення БПЛА на основі геометричних перетворень, та формування керуючих впливів на органи керування БПЛА. Бажано також при формуванні враховувати навички та досвід оператора, який виконував такі маневри БПЛА за допомогою віддаленого керуючого пристрою. Нажаль, на сьогодні не існує єдиної теорії для створення таких систем.

Однією з найбільш важливих задач керування БПЛА є задача посадки, бо збереження літального апарату та його оснащення в момент посадки є врешті решт кінцевою метою будь-якого польоту. Існуючі системи посадки або не є достатньо точними, або потребують обов'язкової допомоги оператора. Більш того, існує принципова різниця в методах керування БПЛА літакового та вертолітного типів на цьому екстремальному режимі польоту.

Тому актуальною є науково-технічна задача керування безпілотним літальним апаратом вертолітного типу в екстремальних режимах польоту на базі оптико-електронних вимірювальних систем.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі інформатики Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” в 2007-2010 рр, згідно з планами науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України за держбюджетними темами Д304-8/06 «Розробка засобів інформаційних технологій підтримки прийняття рішень для проектування елементів аерокосмічних систем» (ДР № 0106U001036) і Д303-26/2009 «Енергоефективні і ресурсозберігаючі технології та засоби вимірювання, перетворення і використання енергоносіїв літальних апаратів і паливно-енергетичних комплексів» (ДР № 0109U001089), в межах якої автором було частково розроблено методи керування безпілотним літальним апаратом в умовах невизначеності.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертації - підвищення точності керування безпілотним літальним апаратом вертолітного типу в реальному часі на основі обробки відеоданих з оптико-вимірювальної системи шляхом отримання оцінки просторових координат та розробка методів посадки з урахуванням досвіду оператора.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

-проаналізувати сучасні дослідження з керування безпілотними літальними апаратами вертолітного типу та визначити актуальні задачі забезпечення автоматичних режимів керування таких безпілотних літальних апаратів за різних умов;

-розробити методи калібрування бортової відеокамери, оцінки просторових та кутових координат безпілотного літального апарату в реальному часі на основі аналізу площини оптичної сцени, що знімається камерою, та ідентифікації опорних точок на зображенні в умовах шуму;

-провести дослідження математичної та імітаційної моделей безпілотного літального апарату вертолітного типу на прикладі квадротора як об'єкту керування та властивостей об'єкту (стійкості, керованості та спостережуваності);

-розробити метод керування безпілотним літальним апаратом вертолітного типу на етапі посадки на основі бази знань, які зазвичай використовує оператор;

-розробити метод керування безпілотним літальним апаратом вертолітного типу при посадці в умовах недетермінованого середовища.

Об'єкт досліджень - процеси керування безпілотним літальним апаратом вертолітного типу з встановленими на ньому датчиками відеоінформації.

Предмет досліджень - моделі ідентифікації просторового положення об'єкту на основі відеоінформації та методи керування безпілотним літальним апаратом на режимах посадки з датчиками відеоінформації.

Методи досліджень. В основу досліджень дисертаційної роботи покладено принципи та методи системного аналізу. При розробці моделей та методів ідентифікації параметрів квадротора використовувались методи теорії автоматичного керування, методи ідентифікації. При вирішенні задачі калібрування бортової відеокамери, оцінки просторових та кутових координат квадротора в реальному часі на основі аналізу сцени, що знімається камерою, та ідентифікації опорних точок на зображенні в умовах шуму, було використано методи обробки зображень, теорія афінних перетворень та проективної геометрії. Для розв'язання задач керування на основі досвіду оператора використано теорію нечітких множин, а при керуванні в умовах невизначеності - теорію інтелектуальних мультиагентних систем.

Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає в такому:

- вперше розроблено метод визначення просторових координат безпілотного літального апарату вертолітного типу шляхом обробки відеоданих, отриманих з оптико-вимірювальної системи, на основі методів проективної геометрії, який відрізняється від відомих методів ідентифікації таких параметрів з використанням інерціальних, лазерних або GPS навігаційних систем більшою точністю позиціонування в режимі посадки, що дозволяє у реальному часі визначати кути орієнтації, зміщення та масштабу в площині оптичної сцени;

- удосконалено метод керування посадкою безпілотного літального апарату вертолітного типу, що базується на використанні нечіткої бази знань, яка відбиває досвід оператора керуванням у цьому режимі та дозволяє здійснювати автоматичний режим «м'якої посадки»;

- дістав подальшого розвитку метод керування безпілотним літальним апаратом вертолітного типу в умовах невизначеності на основі агентного підходу, що дає можливість здійснювати формування траєкторії польоту квадротора в залежності від вірогідності переходів в просторі станів та дозволяє врахувати несподівані перешкоди у зовнішньому середовищі, в якому знаходиться безпілотний літальний апарат.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблені методи є науково-методичною основою для проектування сучасних систем керування безпілотним літальним апаратом вертолітного типу. Використання методів, розроблених в результаті дисертаційних досліджень, дозволяє технічно обґрунтовано забезпечити режим «м'якої посадки» таких безпілотних літальних апаратів шляхом використання нечіткої бази знань, що інтегрує досвід оператора, та в режимі реального часу шляхом запропонованих методів обчислювати просторові координати безпілотного літального апарату на основі обробки відеозображення, отриманого з встановленої на борту оптико-вимірювальної системи. Забезпечення можливості маневрування в умовах дії перешкод зовнішнього середовища дозволяє зберігати працездатність безпілотного літального апарату та забезпечує більшу точність посадки (до 1 см) в порівнянні з аналогічними системами, що базуються на інерціальних або GPS навігаційних системах. Також практичне значення отриманих результатів дослідження підтверджується актами впровадження розроблених методів в КБ «Авіа», м. Харків (акт впровадження від 16.06.2009 р.) та в навчальний процес Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», м. Харків (акт впровадження від 10.09.2010 р.).

Особистий внесок здобувача. В роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать: метод керування на основі мультиагентного підходу [1]; метод використання геометричних перетворень для навігації літального апарату [8]; метод визначення просторових координат безпілотного літального апарату на основі обробки відеосигналу [3, 7]; метод управління квадротором на основі використання законів нечіткого моделювання правил [4, 14]; контур логічного управління в мультиагентному середовищі [5]; методу нечіткого структурного аналізу [6]; використання афінних перетворень для визначення зміни положення безпілотного літального апарату [9, 10]; метод управління квадротором в недетермінованому середовище на основі агентного підходу, який має можливість здійснювати формування траєкторії польоту в залежності від ймовірностей переходів [12, 13].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідалися й обговорювалися на засіданнях кафедри інформатики Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського «ХАІ». Наведені в дисертаційній роботі наукові результати доповідалися та обговорювалися на наступних конференціях: міжнародній науково-технічній конференції “15th Zittau East-West Fuzzy Colloquium” (Zittau, 2008 р.); міжнародній конференції з автоматичного управління “Автоматика - 2008” (Одеса, 2008 р.); міжнародній конференції з автоматичного управління “Автоматика - 2009” (Чернівці, 2009 р.); міжнародній науковій конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Комп'ютерні науки та інженерія 2009” (Львов, 2009 р.); міжнародній науково-технічній конференції “Інтелектуальні системи в промисловості і освіті (ІСПО) - 2009” (Суми, 2009 р.); міжнародній науково-технічній конференції “55^th International Scientific Colloquium” (Illmenau, 2010 р.); міжнародній науково-технічній конференції “17th Zittau East-West Fuzzy Colloquium” (Zittau, 2010 р.) міжнародній конференції з автоматичного управління “Автоматика - 2010” (Харків, 2010 р.).

Публікації. Основні результати роботи опубліковано в 14 друкарських працях, з яких 1 навчальний посібник, 5 статей у наукових спеціальних виданнях, що входять до переліку ВАК України (4 статті у науково-технічних журналах, 1 стаття у збірнику наукових праць), 8 публікацій в матеріалах і тезах наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація містить вступ, чотири розділи, висновки й додаток. Повний обсяг дисертації становить 168 сторінок, у тому числі: 32 рисунків, 1 таблиця на 2 окремих сторінках, 4 таблиці за текстом, перелік з 163 використаних літературних джерел на 15 сторінках, 1 додаток на 2 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, показано її наукову та прикладну спрямованість, сформульовано мету роботи й задачі дослідження, які потрібно вирішити для її досягнення. Подано стислу характеристику результатів дослідження, їх апробації та опублікування.

У першому розділі проведено аналіз стану і тенденцій розвитку та використання існуючих і перспективних безпілотних літальних апаратів вертолітного типу, який дозволив визначити необхідність та актуальність дослідження таких БПЛА на прикладі квадротора.

Квадротор (квадроторний вертоліт) - це літальний апарат, який переходить в режим польоту завдяки підйомної силі, утвореній чотирма несучими гвинтами (пропелерними роторами), жорстко з'єднаними в перехресній конструктивній схемі (рис.1).

Рис. 1. Безпілотний літальний апарат типа квадротор

Для зменшення гіроскопічного моменту апарату ротори попарно обертаються в різних напрямках, що вимагає застосування пари протилежних пропелерів.

Загальна система керування квадротором полягає в формуванні кутової швидкості роторів у відповідності до поточного положення БПЛА. Структурна схема контролера квадротора зображена на рис.2,а, на рис.2,б схематично зображено на якісному рівні, як треба змінювати кутові швидкості роторів задля формування різних режимів польоту. Як видно зі схем, для формування різних законів керування роторами потрібно знати поточні значення просторових та кутових координат, їх швидкості тощо.

В режимі посадки отримати такі дані за допомогою традиційних систем (інерціальних або GPS навігаційних систем) не завжди є можливим, бо це залежить від чутливості таких систем на малих висотах, та потребує великої швидкодії в умовах обмежень на тривалість прийняття рішень. Були проведені дослідження існуючих методів навігації і посадки безпілотного літального апарату вертолітного типу: посадка за допомогою оператора; парашутна посадка; автопілот для м'якої посадки; система автоматичної посадки БПЛА з допомогою «пастки» і застосуванням оптичних камер. Показано, що для задач посадки існуючі методи не завжди можна використати з приводу їх обмежень як за точністю, так і за швидкодією. Тим не менш,одним з сучасних напрямів керування є використання оптичних приладів.

Основним завданням дослідження є розробка методів виведення квадротора в задану область і автоматичної посадки на основі оптико-електронної вимірювальної системи.

а	б

Рис. 2. Керування квадротором: а - структурна схема контролера квадротора; б - правила формування руху квадротора шляхом зміни кутової швидкості роторів

На БПЛА встановлено камеру, що знімає безперервний потік відеоданих, який передається на підсистему реєстрації зображень наземної станції керування. З фіксованою періодичністю здійснюється вибірка з відеопотоку статичних кадрів зображення. За допомогою запропонованих методів визначення геометричних параметрів опорних точок порівнянюються кадри, зняті в різні моменти часу, та за результатами їх обробки проводиться корекція просторового положення БПЛА з допомогою направленого сигналу. Ця методика використовується на етапі посадки БПЛА.

Для досягнення мети дисертаційного дослідження визначено задачі, пов'язані з розробкою методів, спрямованих на забезпечення автоматичного посадки БПЛА вертолітного типа.

Основні результати цього розділу опубліковано в роботах [10, 12, 13].

Другий розділ присвячено дослідженню та розробці методу визначення просторових та кутових параметрів з відеоданих. Пропонується застосування оптичного датчика для оцінки просторових координат БПЛА вертолітного типу.

Датчик забезпечує формування наступних параметрів: кути орієнтації камери відносно місця посадки БПЛА вертолітного типу шляхом порівняння поточного кадру камери з фіксованим зображенням, що зберігається в пам'яті обчислювача; величини зміщення камери відносно центру місця посадки в площині горизонту; величини масштабного множника камери, як аналога висоти камери від площини місця посадки.

Запропоновано метод обчислення просторових параметрів, який базується на розв'язанні рівнянь перспективної проекції камери, які можна записати у вигляді:

(1)

де - внутрішні параметри камери (фокус, масштаб, координати центру); - матриця внутрішніх параметрів камери; - матриця проекцій; - матриця руху камери; - вектор зміщення камери; - матриця орієнтації камери відносно площини сцени; - координати точки на камері; - координати точки сцени.

Для розв'язання системи (1) необхідно використовувати два зображення з наборами опорних точок. При відомих координатах спряжених точок двох зображень (не менше 4-х) можна визначити параметри перспективній проекції - кути орієнтації за елементами матриці (дев'ять параметрів), зміщення в площині оптичної сцени (два параметри) і масштабу (один).

За допомогою отриманих коефіцієнтів орієнтації розраховуються просторові характеристики БПЛА, а саме кути крену , тангажу і курсу, а також зміщення до поверхні приземлення Z, зміщення по вертикалі Y та зміщення по горизонталі X:

,,,,.

Особливість у використанні методу перспективної проекції полягає в знаходженні спряжених точок на двох кадрах, які можуть не детектуватися в поточному зображенні через зміну освітленості, затіненості та ін. Тому запропоновано використання спеціальних алгоритмів визначення спряжених точок, такі як, алгоритм Харріса, алгоритм яскравості точок та ін.

Однією із задач, вирішених в роботі, є калібрування відеокамер. Оскільки камера не є ідеальним оптичним приладом, тим більше для цілей технічного зору, зняте зображення потрібно спочатку виправити в сенсі найпростіших оптичних перетворень.

Запропоновано метод калібрування камери з використанням нечіткої арифметики. У першу чергу необхідно було оцінити розмір одного пікселя у метричних одиницях. Для цього здійснимо зйомку тестового об'єкта висотою l , розташованого на відстані d від камери. При відомому фокусі довжина зображення визначається як де m - масштабний коефіцієнт, який дорівнює а v - відстань від лінзи до зображення (L). Тоді Якщо - довжина зображення на фотографії у пікселях, тоді розміри одного пікселя обчислюються за формулою

Для збиральної лінзи величина v змінюється в межах [f, 2f]. Також можливі погрішності при визначені відстані від об'єкту до камери d, фокусу f, довжини об'єкту l, довжини зображення на фотографії у пікселях Lp. Виходячи з цього, пропонується використовувати нечіткі числа для визначення цих величин, а, отже, і самого значення пікселя. Припустимо, що ці змінні змінюються в наступних межах:

Задамо трикутні функції належності на наведених вище доменах. Наприклад, нехай f=[6.25,6.3,6.35], d=[685,690,695], v=[f,1.5*f,2*f], l=[294,297,300] у міліметрах та =[1470,1472,1474] у пікселях (рис. 3).

Рис. 3. Функція належності вхідних змінних

Знаходження розміру одного пікселя здійснюється відповідно з формуванням результуючої функції належності для кожної операції виду

де А, В - операнди (нечіткі числа з відповідними функціями належності), - алгебраїчна операція. Результуюча функція належності наведена на рис. 4. керування безпілотний вертолітний оптика

Тепер можливо знайти довільну відстань від об'єкту до камери за наступним алгоритмом:

1) знайти довжину об'єкту, що фотографують, у пікселях;

2) обчислити реальний розмір зображення у метрах;

3) розрахувати відстань від об'єкту до камери за формулою

Рис. 4. Результуюча функція належності

Основні результати цього розділу опубліковано в роботах [2, 3, 7-9, 11].

У третьому розділі запропоновано створення системи управління квадротором на основі нечіткого моделювання. Управління положенням літального апарату і обертанням навколо осей здійснюється шляхом зміни осьових сил роторів (рис. 5).

Рис. 5. Керування положенням літального апарату

Для реалізації внутрішнього контуру запропоновано використовувати нечіткий контролер. Система управління являє собою набір правил для вирішення завдань навігації квадротора. Ввівши лінгвістичні змінні - Low, Middle, High для позначення осьових сил роторів, можна сформулювати, наприклад, такі правила управління:

a) якщо режим «Підйом», то

б) якщо режим «Зависання», то

в) якщо режим «Спуск», то

г) якщо режим «Рух вліво», то

д) якщо режим «Рух вправо», то

е) якщо режим «Рух вперед», то

ж) якщо режим «Рух назад», то

з) якщо режим «Поворот за часовою стрілкою», то

и) якщо режим «Поворот проти часової стрілки», то

БПЛА можна представити у вигляді агента, який приймає рішення в умовах мінливого зовнішнього середовища. Розіб'ємо простір, в якому знаходиться квадротор, на тривимірну сітку з довжиною ребра, відповідної середній відстані, яке квадротор проходить за час обробки двох сусідніх кадрів. Якщо швидкість відеозйомки - 1/10 с, середня швидкість польоту - 10 м/с, час на роботу алгоритму визначення положення - 1/20 с, то довжина ребра - 1.5 м. БПЛА в агентній інтерпретації можна представити у вигляді пари , де P - схема агента (база даних та знань), - методи, які має агент: сприйняття , прийняття рішення , змінення середовища . В залежності від способів реалізації цих операцій залежать інтелектуальні властивості агентів.

Нехай задані наступні множини дій і стану навколишнього середовища відповідно: Поточна дія - елемент множини Поточне спостереження - елемент множини Нехай - спостереження агента в момент часу , тоді для оптимального вибору дії в момент часу агент повинен врахувати повну історію спостережень і дій для . Політикою поведінки агента називається функція виду , яка на основі всієї сприйнятої інформації за момент часу та всіх дій до останнього сприйняття визначає поведінку агента в момент часу . Для формування дій агента - квадротора перш за все необхідно визначити множину можливих станів агента, що враховують зовнішнє середовище, і множину дій. Найкраща дія повинна вибиратись із рівняння

де - функція корисності стану , - вірогідність переходу зі стану в стан .

Основні результати цього розділу опубліковано в роботах [1, 6, 14].

У четвертому розділі розроблена система імітаційного моделювання режимів посадки БПЛА типа квадротора по даних, отриманих з оптичного датчика. З цією метою досліджена математична модель БПЛА вертолітного типу. Розглянуто динаміку квадротора в інерціальній та зв'язаній системах координат (СК) для дослідження методів керування таким апаратом.

Взаємозв'язок кутових швидкостей апарату по осях пов'язаної СК визначається кінематичним співвідношенням для кутів Ейлера

де - кути крену, курсу та тангажу відповідно, - кутові швидкості в зв'язаній СК. Кути орієнтації визначають матрицю обертання М, як матрицю повороту на кути Ейлера і яка перетворює вектор лінійної швидкості з зв'язаної в інерціальну СК.

де індекс I - означає вектор в інерціальній СК, а b - в зв'язаній СК.

Рівняння сил. Аеродинамічні сили, утворені тягою ротора, є пропорційними квадрату швидкості обертання ротора і виражаються як

,

де - настановний кут тангажу пропелера ротора; - кутова швидкість відповідного ротора; - відстань до точки встановлення ротора; - параметр, залежний від номера ротора та С=1, якщо j=1 або 4, С=-1, якщо j=2 або 3; ,якщо j=1 або 3, , якщо j=2 або 4.

Аеродинамічні сили вітрового зміщення у зв'язаній СК можна представити як



де - вектор швидкості в зв'язаній СК, - коефіцієнт демпфування в атмосфері. Тоді система рівнянь для сил в інерціальній СК, що діють на квадротор, запишеться

.

Рівняння моментів. На апарат впливають наступні моменти - аеродинамічний момент опору обертаючих роторів, гіроскопічний момент роторів, момент опору від обертання апарату, інерційний момент роторів.

Аеродинамічний момент опору обертаючих роторів можна записати як

.

Інерційний момент роторів, як сумарний вплив обертання 4-х роторів , де - момент інерції одного ротора (двигун і пропелер). Момент опору від обертання апарату пропорційний кутовий швидкості обертання

,

де - коефіцієнт опору обертанню в атмосфері.

Гіроскопічний момент роторів викликаний комбінацією обертання роторів і апарату і виражається як , де сумарна кутова швидкість роторів.

Момент збурень позначимо як .

Тоді для моменту обертання апарату для пов'язаної СК запишеться

де - матриця моментів інерції апарату.

Залежність кутовий швидкості ротора двигуна від сигналу управління вважаємо лінійної і визначаємо як

,

де - коефіцієнт передачі електродвигуна, - вхідний сигнал електродвигуна.

Створена імітаційна модель в середовищі MatLab, за допомогою якої проведене дослідження роботи нечіткої системи управління. Модель та графіки перехідних процесів наведено на рис.6,7.

Рис. 6. Імітаційна модель системи керування квадротором з нечітким контролером

Основні результати цього розділу опубліковано в роботах [4, 5].

Рис. 7. Графік перехідних процесів при керуванні по каналу тангажа та нечіткої функції керування

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-технічна задача керування безпілотним літальним апаратом вертолітного типу в екстремальних режимах польоту на базі оптико-електронних вимірювальних систем. На основі проведених досліджень зроблені висновки:

1. Проаналізовано відомі розробки по керуванню безпілотними літальними апаратам типа квадротор і визначити актуальні задачі по забезпеченню автоматичних режимів керування БПЛА в різних умовах. Під час проведення аналізу існуючих методів забезпечення точності режимів посадки, було показано, що використання інерційних систем або лазерних систем здорожує весь комплекс БПЛА, а використання ультразвукових датчиків недостатньо для оцінки просторового положення БПЛА. Крім того, використання спутнікових навігаційних систем має низьку частоту оновлення (1 гц) та не дозволяє розв'язувати задачі зльоту та посадки.

2. Розроблено математичну та імітаційну моделі квадротора як об'єкту керування, в основу якої покладено формалізоване подання рівнянь сил та моментів, враховуючи жорстке з'єднання чотирьох пропелерних роторів в перехресний конструктивній схемі. Проведено дослідження властивостей такого об'єкту - стійкості, керованості та спостережуваності. Доведено, що для частково керованого об'єкту необхідно створити декілька контурів керування, а кількість каналів керування дорівнює кількості роторів.

4. Розроблено методи калібрування бортової відеокамери, оцінки просторових та кутових координат БПЛА в реальному часі на основі аналізу площини оптичної сцени, що знімається камерою, та ідентифікації опорних точок на зображенні в умовах шуму. В якості датчиків відеоспостереження використано цифрову камеру iCube USB 2.0 та оптичний модуль OV7725 Low Light Color Camera Module. Використання запропонованого датчика забезпечує формування кутів орієнтації відносно місця посадки шляхом порівняння поточного кадру камери з фіксованим зображенням, яке зберігається в пам'яті обчислювального пристрою, величини зсуву камери відносно до центру посадки в площині горизонту та величини масштабного множника камери як аналога висоти камери до площини місця посадки.

5. Розроблено метод керування квадротором на етапі посадки на основі бази знань, які зазвичай використовує оператор. За для природного опису досвіду оператора запропоновано використання нечітких продукційних правил та логічного висновку на базі моделі Мамдані. За допомогою імітаційної моделі БЛПА типа квадротор проведено тестування нечіткого контролеру, та проведено аналіз стійкості замкненої системи та точності посадки. Продемонстровано задовільні характеристики такого керування.

6. Розроблено метод керування квадротором при приземленні в умовах не детермінованого середовища за допомогою мультиагентного підходу, який спирається на особливості даного типу БПЛА, а саме - на його маневреності, яка дозволяє здійснювати просторові переміщення в будь-якому напрямку руху.

7. Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблені методи є науково-методичною основою для забезпечення сучасних систем керування БПЛА типа квадротор.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Мультиагентне моделювання : лаб. практикум / О.Ю. Соколов, О.І. Морозова, В.М. Хуссейн, С.Г. Волков. - Х. : Нац. аерокосм. ун-т «Харк. авіац. ін-т», 2010. - 52 с.

2. В.М. Хуссейн. Моделирование процесса навигации динамической системы на основе обработки видеоизображения / Ватик М. Хуссейн // Авиационно-космическая техника и технология. - 2008. - №5(52) - С. 34-39.

3. Соколов А.Ю. Методы формирования параметров пространственного движения объекта на основе обработки визуальной информации / А.Ю. Соколов, В.М. Хуссейн // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2009. - №3(37). - С. 104-110.

4. Кортунов В.И. Управление квадроротором на этапе посадки / В.И. Кортунов, Хуссейн М.В. // Авиационно-космическая техника и технология. - 2010. № 2 (69). - С. 55-61.

5. Соколов А.Ю. Управление квадроротором в недетерминированной среде / А.Ю. Соколов, В.М. Хуссейн // Авиационно-космическая техника и технология. - 2010. - №3(70). - С. 78-84.

6. Морозова О.И. Метод нечеткого структурного анализа онтологий / О.И. Морозова, А.Ю. Соколов, В.М. Хуссейн // Системи обробки інформації: зб. наук. праць Харківського університету Повітряних Сил. - Вип. 5(86). - Х., 2010. - С. 104-107.

7. Sokolov O. Fuzzy image recognition / O. Sokolov, I. Kravchenko, O. Morozova, W. Hussein // 15^th Zittau East-West Fuzzy Colloquium. Conference Proceedings, 17 - 19 September 2008. - 2008. - P. 148-150.

8. Соколов А.Ю. Управление траекторией движения динамической системы на основе обработки видеосигнала / А.Ю. Соколов, И.В. Кравченко, О.И. Морозова, В.М. Хуссейн // Автоматика - 2008: доклади XV міжнародної конференції з автоматичного управління, 23-26 вересня 2008 p. - 2008. - C. 561-563.

9. Морозова О.И. Оценка параметров состояния динамической системы на основе обработки видеоизображения / О.И. Морозова, И.В. Кравченко, А.Ю. Соколов, В.М. Хуссейн // «Автоматика - 2009»: Сборник тезисов XVI Международной конференции по автоматическому управлению, 22-25 сентября 2009 г. - 2009. - С.254-255.

10. Хуссейн М.В. Імітаційне моделювання управління безпілотним літальним апаратом з відеоспостереженням / В.М. Хуссейн, О.І. Морозова // Комп'ютерні науки та інженерія: Матеріали ІІІ Міжнародної конференції молодих вчених CSE-2009. - Львів, 2009. - С. 247-250.

11. Хуссейн М.В. Определение параметров движения подвижной системы на основе обработки видеосигналов / В.М. Хуссейн // Інтелектуальні системи в промисловості і освіті: Тези доповідей Другої міжнародної науково-технічної конференції, 3-5 грудня 2009 р. - Суми, 2009. - С. 70-71.

12. Sokolov Oleksandr. Fuzzy Control of Autonomous Quad-rotor / O. Sokolov, W. Hussein, O. Sokolov // 55^th International Scientific Colloquium. Conference Proceedings, 13 - 17 September 2010. - Ilmenau, 2010. - P. 69.

13. Sokolov O. Fuzzy control of quad-rotor in nondeterministic environments / O. Sokolov, W. Hussein, V. Ushan // 17^th Zittau East-West Fuzzy Colloquium. Conference Proceedings, 15 - 17 September 2010. - Zittau, 2010. - P. 19-25.

14. Соколов А.Ю. Применение нечеткого регулятора в управлении квадротором / А.Ю. Соколов, В.М. Хуссейн // «Автоматика - 2010»: Тези доповідей 17 міжнародна конференція з автоматичного управління. Том 2. - Харків, 2010. - C. 68-70.

АНОТАЦІЇ

Ваcік Мохаммед Алі Хуссейн. Методи керування безпілотним літальним апаратом на основі оптико-електронної вимірювальної системи. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.03 - системи та процеси керування. - Національний аерокосмічний університет імені М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Харків, 2011.

Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі: розробка моделей і методів визначення параметрів траєкторного руху БПЛА типу квадротор на етапі посадки за допомогою аналізу відеозображень для отримання просторових координат і формування законів управління на основі використання досвіду оператора при вирішенні навігаційних завдань.

Вперше розроблені методи визначення просторових координат БПЛА на основі обробки відеосигналу, що відрізняються від відомих узгодженням методів обробки зображень і проективної геометрії, що дозволяє в реальному масштабі часу визначати кути орієнтації, зміщення і масштаб в площині оптичної сцени для широкого класу оптико-електронної вимірювальних систем.

Удосконалено метод управління квадротором на основі застосування законів нечіткого моделювання правил, що відрізняється від відомих застосуванням продукційних правил для опису зв'язку між вхідними і вихідними параметрами, що дозволяє використовувати досвід оператором при управлінні БПЛА в екстремальних режимах, до яких відноситься режим посадки

Отримав подальший розвиток метод управління квадротором в недетермінованім середовищі на основі агентного підходу, що відрізняється від відомих можливістю здійснювати формування траєкторії польоту залежно від імовірності переходів, що дозволяє враховувати випадковий характер зовнішнього середовища, в якій знаходиться БПЛА.

Ключові слова: навігація, динамічна система, сигнальні об'єкти, посадка, безпілотний літальний апарат, відеоуправління, квадротор, синтез системи управління.

Ваcик Мохаммед Али Хуссейн. Методы управления беспилотным летательным аппаратом на основе оптико-электронной измерительной системы. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.03 - системы и процессы управления. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Харьков, 2011.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической задачи: разработка моделей и методов определения параметров траекторного движения БПЛА типа квадротор на этапе посадки посредством анализа видеоизображений для получения пространственных координат и формирования законов управления на основе использования опыта оператора при решении навигационных задач.

Проанализированы известные разработки по управлению беспилотными летательными аппаратам типа квадротор и определить актуальные задачи по обеспечению автоматических режимов управления квадротором в различных условиях полета.

Впервые разработаны методы определения пространственных координат БПЛА на основе обработки видеосигнала, отличающиеся от известных согласованием методов обработки изображений и проективной геометрии, что позволяет в реальном масштабе времени определять углы ориентации, смещения и масштаб в плоскости оптической сцены для широкого класса оптико-электронной измерительных систем.

Усовершенствован метод управления квадротором на основе применения законов нечеткого моделирования правил, отличающийся от известных применением продукционных правил для описания связи между входными и выходными параметрами, что позволяет использовать опыт оператором при управлении БПЛА в экстремальных режимах, к которым относится режим посадки.

Получил дальнейшее развитие метод управления квадротором в недетерминированной среде на основе агентного подхода, отличающийся от известных возможностью осуществлять формирование траектории полета в зависимости от вероятности переходов, что позволяет учитывать случайный характер внешней среды, в которой находится БПЛА.

Для проверки обоснованности и достоверности научных результатов разработана компьютерная модель БПЛА типа квадротора, а так же модель системы управления и составной части исследуемой системы - оптического датчика подстилающей поверхности.

Разработана структура системы управления квадротором как многоконтурной системы, позволяющей провести параметрический синтез законов управления как отдельных подсистем. В составе системы управления реализована модель оптического датчика, как дискретного элемента со своим периодом квантования, для формирования параметров ориентации и смещения БПЛА относительно места посадки.

Проведено моделирование полета квадротора на этапе посадки (снижение высоты) при различных периодах квантования оптического датчика и установлено следующее. Для принятой динамики БПЛА (масса 4,5 кг) типа квадротора допустимая частота квантования оптического датчика составила не менее 5 Гц. Для микроконтроллера типа ARM-7 по обработке изображения размером 640х320 пикселей такая частота реализуема, что подтверждает возможность создания реальной системы управления БПЛА на этапе посадки с оптическим датчиком измерения углов ориентации и геометрического смещения относительно места посадки.

Разработано программное обеспечение в математической среде программирования MatLab, которое позволяет определять углы крена, тангажа и рысканья.

Полученные результаты расширяют научно-техническую базу проектирования систем управления беспилотными летательными аппаратами, а их достоверность подтверждается широкой апробацией и внедрением в учебные процессы Национального аэрокосмического университета им. Н. Е. Жуковского “ХАИ”.

Ключевые слова: навигация, динамическая система, сигнальные объекты, посадка, беспилотный летательный аппарат, видеоуправление, квадротор, синтез системы управления.

Wathiq Mohammed Ali Hussein. Methods of pilotless vehicle control which are based on optico-electronic measuring systems. - The Manuscript.

The dissertation to competition of a scientific degree Candidate of Technical Science on a specialty 05.13.03 - Control system and processes. - National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute”, Kharkiv, 2011.

The dissertation is devoted to solving important scientific and technical objectives: develop models and methods for determining the parameters of the trajectory of motion UAV type quad-rotor during landing by analyzing video images for the spatial coordinates and the formation control laws based on the experience of the operator for solving navigational problems.

The known design management unmanned aircraft type quad-rotor and identify the urgent tasks for the automatic control mode quad-rotor in various flight conditions.

First developed methods for determining the spatial coordinates of the UAV based on video processing, which differ from the known alignment methods for image processing, and projective geometry, which allows real-time to determine the orientation angles, offsets, and scale in the plane of the optical stage for a broad class of optico-electronic measurement systems.

Improved Management quad-rotor through the application of the laws of fuzzy modeling rules that differ from the known use of production rules to describe relationships between input and output parameters, which allows the operator to use the experience in the management of UAVs in the extreme conditions to which the landing mode. Was further developed control method quad-rotor a nondeterministic environment based on agent-based approach, which differs from the known ability to carry out the formation flight path depending on the transition probability that takes into account the random nature of the environment in which the UAV.

Key words: navigation, dynamic system, signal objects, landing, unmanned aerial vehicle, vision responsive control, quad-rotor, control systems synthesis.

Размещено на Allbest.ru

...