ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОСАДКИ АВТОНОМНОГО ЛЕТАЮЩЕГО РОБОТА
Оптико-электронное устройство автоматической посадки летающего робота
23
УДК 681.5
В. О. ИВАНОВ
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОСАДКИ АВТОНОМНОГО ЛЕТАЮЩЕГО РОБОТА
Представлен один из вариантов оптико-электронного устройства навигации для автоматической посадки малогабаритного автономного летающего робота. Приведены общая схема и принципы построения устройства; рассмотрены основные виды его погрешностей и результаты исследований макета.
Ключевые слова: оптико-электронное устройство, автоматическая посадка, система автоматического управления, автономный летающий робот.
Введение. Беспилотные летательные аппараты (ЛА), входящие в состав авиационных комплексов, являются на сегодняшний день перспективными, динамично развивающимися и широко применяемыми системами. Использование малогабаритных беспилотных средств обеспечивает максимальную оперативность исследований (мониторинга местности, аэрофотосъемки и т.д.) при относительно низкой стоимости эксплуатации. Значительный интерес представляют малогабаритные автономные летающие роботы (АЛР), относящиеся к классу беспилотных ЛА со взлетной массой до 5 кг [1]. Следствием массогабаритных ограничений АЛР является проблема создания бортовой авионики, обеспечивающей автономное управление ЛА на всех этапах полета. При этом вопросы управления автоматической посадкой малогабаритных АЛР вызывают особый интерес.
Посадка — крайне сложный и ответственный этап полета для всех типов летательных аппаратов. Снижение самолета перед заходом на посадку, выполнение предпосадочного маневра (глиссады), приземление и пробег по взлетно-посадочной полосе составляют совокупность этапов полета, на которые приходится значительный процент общего числа аварий и катастроф [2].
Одной из наиболее технически сложных проблем обеспечения безопасности посадки является ее автоматизация. Очевидно, что реализовать режим автоматической посадки возможно только в случае, когда система автоматической посадки удовлетворяет требуемому уровню надежности и безопасности. Таким образом, особое значение при разработке данных систем имеет качество управления летательным аппаратом и его навигация [3—5].
Эта проблематика является предметом множества исследований фундаментального и прикладного характера [6—9]. Разработка бортовых систем управления автоматической посадкой ЛА предполагает комплексное использование различных навигационных технологий. Известны традиционные радиотехнические и лазерные [7, 8] средства автоматической навигации, с помощью которых во время посадки можно определять навигационные параметры: координаты, скорость и ориентацию самолета. Из-за массогабаритных ограничений АЛР использование указанных технических средств зачастую невозможно. Применение спутниковой и инерциальной [9] систем навигации во время автоматической посадки АЛР перспективно, но не позволяет достаточно точно определить навигационные параметры и эффективно только на этапах выхода на глиссаду посадки.
Построение оптико-электронного устройства навигации. Одним из возможных путей решения задачи автоматической посадки малогабаритных АЛР является устройство навигации оптико-электронного типа, предназначенное для пилотирования по визуальным ориентирам на местности с помощью телевизионных каналов и современных методов и алгоритмов цифровой обработки изображений [10].
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
24 В. О. Иванов
Использование возможностей систем технического зрения для управления подвижными объектами различных типов и назначения, включая манипуляционные и мобильные роботы, является далеко не новой, но актуальной проблемой. Для ее решения необходимо разрабатывать современные методы и алгоритмы предварительной обработки видеоизображений, распознавания и классификации образов. В ряде случаев учет специфики конкретных прикладных задач обработки и анализа изображений в режиме реального времени в совокупности с использованием различных эвристических приемов позволяет добиться искомого результата методами, пригодными для реализации в малогабаритных АЛР.
Преимущество использования для автоматической навигации АЛР оптико-электронного устройства (ОЭУ) обусловлено возможностью применения бортовой штатной оптикотелевизионной (оптико-электронной) аппаратуры и бортового компьютера, что позволит существенно уменьшить массу и габариты необходимого дополнительного оборудования. С другой стороны, применение аппаратно-программных средств ОЭУ в комплексе с другими средствами навигации позволит значительно повысить надежность и безопасность автоматической посадки АЛР.
Структурная схема оптико-электронного устройства для автоматической посадки АЛР представлена на рис. 1.
Фюзеляж АЛР
ОЭУ Объектив
К системе Бортовой управления компьютер
ПУ
ХТ Привод ПУ
ПЗС
Рис. 1
Отраженное от земной поверхности оптическое излучение попадает в поле зрения объектива и проецируется на фоточувствительную ПЗС-матрицу, где оптическое изображение преобразуется в матрицу электрических зарядов. ПЗС считывает электрические заряды, преобразуя их в цифровой сигнал, поступающий на блок первичной обработки изображения — видеопроцессор бортового компьютера, где с помощью специальных алгоритмов производится фильтрация полезного сигнала и вычисляются координаты ориентиров (или специальных реперов) — характерных точек (ХТ) объекта на земной поверхности.
В вычислительном устройстве бортового компьютера по координатам характерных точек, положению поворотного устройства (ПУ) и его привода, а также по данным с других датчиков (приемника GPS, датчика скорости, дальномера, акселерометра и др.) рассчитываются параметры пространственного положения АЛР.
Среди множества методик расчета расстояния (D) от ОЭУ, вдоль его оптической оси, до характерных точек на местности выделим две [11, 12]:
— с использованием одной телекамеры, установленной на борту АЛР, и нескольких ориентиров, расстояния между которыми известны;
— с использованием двух телекамер, установленных на борту АЛР, расстояние между которыми известно с высокой точностью.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
Оптико-электронное устройство автоматической посадки летающего робота
25
После вычисления в бортовом компьютере данные об углах ориентации АЛР и расстояниях до характерных точек объектов поступают на вход типовой (стандартной) системы управления (СУ) исполнительными механизмами АЛР.
Предложенный способ автоматической навигации, в том числе посадки АЛР, позволяет сформировать обобщенную структурную схему бортовой системы автоматического управления (САУ) роботом (рис. 2), в состав которой входят следующие элементы: бортовой компьютер (видеопроцессор, вычислительное устройство, микропроцессор), ОЭУ, привод ПУ, СУ, исполнительные механизмы (ИМ) и канал связи (КС).
Борт АЛР
ИМ СУ Датчики (GPS,
скорости, ускорения, угла атаки, дальномер,
высотомер и др.)
Бортовой компьютер
Вычислительное устройство
Видеопроцессор
Микропроцессор
ОЭУ
Привод ПУ
КС
Рис. 2
Оценка погрешностей измерительной системы ОЭУ. Условно погрешности измерительной системы ОЭУ можно разделить на „внутренние“ и „внешние“ [13]. Основные виды „внутренних“ погрешностей представлены в таблице.
„Внутренние“ погрешности ОЭУ
конструкционные
методологические
Конструкция корпуса устройства
Погрешность метода вычислений
Место размещения устройства в фю-
Фильтрация шумов по нескольким
зеляже АЛР
измерениям
Способы крепления ОЭУ на ПУ
Неточность формирования трехмер-
Погрешность калибровочной системы ной модели АЛР
Погрешность юстировки
Погрешности аналого-цифрового
Точность изготовления ПЗС-матрицы преобразователя
Ошибки привода ПУ
температурные
Флюктуационные шумы
Температурный дрейф конструкции устройства
Под „внешними“ погрешностями понимаются следующие воздействия: — дифракция неоднородности среды (атмосферы); — оптические засветки устройства; — оптическая неоднородность фона, рельефа и окружающей среды (дым, пыль); — изменения освещенности в районе посадки; — метеорологические условия: туман, облачность, осадки. Основная „внутренняя“ погрешность измерений ( ε ), по результатам предварительных исследований, включает в себя следующие компоненты:
— случайная (шумовая) погрешность ( εСКО );
— погрешность калибровки оптической системы ( εк );
— погрешность температурного дрейфа конструкции ( εт );
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
26 В. О. Иванов
— погрешность юстировки (привязки) ( εпр ).
Основная погрешность ОЭУ при однократном измерении координат характерной точки определяется как
ε2 = εС2 КО + εк2 + ε2т + εп2р ;
расчет погрешности εСКО выполняется с учетом случайной угловой погрешности при измерении координат одной характерной точки:
εСКО = 2ωε, где 2ω — угловое поле зрения объектива ОУЭ.
Приведем пример расчета случайных погрешностей определения линейных отклонений АЛР по курсу ( εx ) и дальности ( εd ) при вертикальном расположении оптической оси устройства (рис. 3). Исходные данные при расчете: поле зрения объектива ОЭУ ( 2ω ) 30°, угол ψ =6°, расстояние D =150 м.
ОЭУ
2ω
ψ
D А εx
В
εx ХТ ψ
εd
О
Рис. 3
Определим численные значения погрешностей для заданных условий.
Погрешность εx определяется соотношением
εx
=
2ω Z
D,
где Z = 40 000 — количество отсчетов в ПЗС-матрице (согласно паспортным данным); для
заданных условий εx ≈ 2 мм. Погрешность εd определяется параметрами треугольника АОВ (см. рис. 3). В тре-
угольнике, в силу малости угла ψ , отрезок AB ≈ εx , а ∠AOB ≈ ψ . Тогда выражение для линейной погрешности по дальности имеет вид
εd
=
εd . tgψ
Для заданных условий εd ≈ 20 мм.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
Оптико-электронное устройство автоматической посадки летающего робота
27
Таким образом, линейная погрешность по дальности превышает линейную погрешность
по курсу примерно в 10 раз.
С учетом накопления двух и более измерений (отсчетов) линейные погрешности по кур-
су и дальности рассчитываются по следующим формулам:
εx = (
n
)−1
⋅
2ω Z
D;
εd = (
n
)−1
⋅
εx tgψ
,
где n — количество измерений.
Результаты стендовых исследований. Предложенная схема построения оптико-
электронного устройства для автоматической посадки АЛР и методика расчета расстояния до
характерных точек на местности были опробованы на макете поворотной телекамеры в стен-
довых условиях.
Макет TV-камеры с поворотным устройством
Промышленный фен
Фрагмент фюзеляжа
АЛР
Светодиоды (ХТ)
Дисплей
Компьютер
Рис. 4
Стендовое оборудование для проведения экспериментальных исследований (структурная схема приведена на рис. 4) содержит фрагмент фюзеляжа АЛР, телекамеру с поворотным двухосевым устройством, систему светодиодов с различной длиной волны (синий, красный, зеленый), компьютер с дисплеем, источник тепла и турбулентности (промышленный фен) между камерой и светодиодами.
В результате исследований подтверждена возможность использования предложенной методики расчета дальности до характерных точек объекта и вычислены координаты положения макета фюзеляжа АЛР (X,Y,Z) и углы ориентации (курс, крен, тангаж).
Результаты стендовых исследований показали также, что основной вклад в погрешность измерений, связанную с влиянием внешних возмущающих факторов, вносит дифракция оптического излучения светодиодов, вызванная температурными градиентами воздушной среды: дополнительная погрешность может составлять до 50 мкм при дальности до 10 м и тем-
пературных градиентах 50 °C. Следует отметить, что дифракция оптического излучения светодиодов зависит от длины волны (при одном и том же значении градиента температуры). Погрешности измерений для красного, зеленого и синего светодиодов отличаются на 20—50 %.
Заключение. Полученные результаты исследований подтвердили принципиальную возможность использования оптико-электронного устройства (бортовых TV-камер) в качестве
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
28 В. О. Иванов
датчиков навигации и ориентации малогабаритных автономных летающих роботов, а также возможность разработки на основе ОЭУ математических моделей и методов построения системы автоматического управления полетом и посадкой АЛР.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Распопов В. Я. Концепция построения и проектирования авионики малоразмерных беспилотных летательных аппаратов // Мехатроника, автоматизация, управление. 2008. № 10. С. 54—54.
2. Зиновьев А. В., Гузий А. Г. Информационные комплексы для автономных автоматических систем посадки // Проблемы безопасности полетов. 2008. № 8. С. 40—49.
3. Иванов В.П. Оптимизация управления динамическими системами на границе допустимого множества управлений методом огибающих // Тр. СПИИРАН. 2007. Вып. 4. С. 270—276.
4. Иванов В. П. Оптимизация вырожденного управления динамическими системами методом огибающих // Тр. СПИИРАН. 2006. Вып. 3, т. 2. 2006. С. 358—365.
5. Михалев И. А., Окоемов Б. Н., Чикулаев М. С. Системы автоматической посадки. М.: Машиностроение, 1975. 216 с.
6. Юревич Е. И. Интеллектуальные роботы. М.: Машиностроение, 2007. 360 с.
7. Мамаев В. Я., Синяков А. Н., Петров К. К., Горбунов Д. А. Воздушная навигация и элементы самолетовождения. СПб: СПбГУАП, 2002. 256 с.
8. Черный М. А., Кораблин В. И. Самолетовождение. М.: Транспорт, 1973. 368 с.
9. Управление и наведение беспилотных маневренных летательных аппаратов на основе современных информационных технологий / Под ред. М. Н. Красильщикова и Г. Г. Себрякова. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 280 с.
10. Визильтер Ю. В., Желтов С. Ю. Проблемы технического зрения в современных авиационных системах // Механика, управление и информатика, 2011. № 6. С. 11—44.
11. Алферев Г. В., Иванов В. О., Чернакова С. Э. Устройство интеллектуального управления и обучения андроидными роботами // Процессы управления и устойчивость: Тр. 39-й науч. конф. аспирантов и студентов; Под ред. Н. В. Смирнова, Г. Ш. Тамасяна. СПб: Изд-во СПбГУ, 2007. С. 97—104.
12. Севостьянов Р. А., Заблоцкая А. В., Румянцев Н. Н., Иванов В. О. Моделирование автоматической посадки АЛР с использованием интеллектуальной системы автоматического управления // Проблемы механики и управления: Межвуз. сб. науч. тр. Пермь: Изд-во Пермского гос. нац. исслед. ун-та, 2009. С. 148—155.
13. Якушенков Ю. Г., Луканцев В. Н., Колосов М. П. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах. М.: Радио и связь, 1981. 180 с.
Валерий Олегович Иванов
Сведения об авторе — аспирант; СПИИРАН, лаборатория прикладной информатики и проблем ин-
форматизации общества; E-mail: ivanov4mail@gmail.com
Рекомендована СПИИРАН
Поступила в редакцию 10.06.12 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
23
УДК 681.5
В. О. ИВАНОВ
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОСАДКИ АВТОНОМНОГО ЛЕТАЮЩЕГО РОБОТА
Представлен один из вариантов оптико-электронного устройства навигации для автоматической посадки малогабаритного автономного летающего робота. Приведены общая схема и принципы построения устройства; рассмотрены основные виды его погрешностей и результаты исследований макета.
Ключевые слова: оптико-электронное устройство, автоматическая посадка, система автоматического управления, автономный летающий робот.
Введение. Беспилотные летательные аппараты (ЛА), входящие в состав авиационных комплексов, являются на сегодняшний день перспективными, динамично развивающимися и широко применяемыми системами. Использование малогабаритных беспилотных средств обеспечивает максимальную оперативность исследований (мониторинга местности, аэрофотосъемки и т.д.) при относительно низкой стоимости эксплуатации. Значительный интерес представляют малогабаритные автономные летающие роботы (АЛР), относящиеся к классу беспилотных ЛА со взлетной массой до 5 кг [1]. Следствием массогабаритных ограничений АЛР является проблема создания бортовой авионики, обеспечивающей автономное управление ЛА на всех этапах полета. При этом вопросы управления автоматической посадкой малогабаритных АЛР вызывают особый интерес.
Посадка — крайне сложный и ответственный этап полета для всех типов летательных аппаратов. Снижение самолета перед заходом на посадку, выполнение предпосадочного маневра (глиссады), приземление и пробег по взлетно-посадочной полосе составляют совокупность этапов полета, на которые приходится значительный процент общего числа аварий и катастроф [2].
Одной из наиболее технически сложных проблем обеспечения безопасности посадки является ее автоматизация. Очевидно, что реализовать режим автоматической посадки возможно только в случае, когда система автоматической посадки удовлетворяет требуемому уровню надежности и безопасности. Таким образом, особое значение при разработке данных систем имеет качество управления летательным аппаратом и его навигация [3—5].
Эта проблематика является предметом множества исследований фундаментального и прикладного характера [6—9]. Разработка бортовых систем управления автоматической посадкой ЛА предполагает комплексное использование различных навигационных технологий. Известны традиционные радиотехнические и лазерные [7, 8] средства автоматической навигации, с помощью которых во время посадки можно определять навигационные параметры: координаты, скорость и ориентацию самолета. Из-за массогабаритных ограничений АЛР использование указанных технических средств зачастую невозможно. Применение спутниковой и инерциальной [9] систем навигации во время автоматической посадки АЛР перспективно, но не позволяет достаточно точно определить навигационные параметры и эффективно только на этапах выхода на глиссаду посадки.
Построение оптико-электронного устройства навигации. Одним из возможных путей решения задачи автоматической посадки малогабаритных АЛР является устройство навигации оптико-электронного типа, предназначенное для пилотирования по визуальным ориентирам на местности с помощью телевизионных каналов и современных методов и алгоритмов цифровой обработки изображений [10].
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
24 В. О. Иванов
Использование возможностей систем технического зрения для управления подвижными объектами различных типов и назначения, включая манипуляционные и мобильные роботы, является далеко не новой, но актуальной проблемой. Для ее решения необходимо разрабатывать современные методы и алгоритмы предварительной обработки видеоизображений, распознавания и классификации образов. В ряде случаев учет специфики конкретных прикладных задач обработки и анализа изображений в режиме реального времени в совокупности с использованием различных эвристических приемов позволяет добиться искомого результата методами, пригодными для реализации в малогабаритных АЛР.
Преимущество использования для автоматической навигации АЛР оптико-электронного устройства (ОЭУ) обусловлено возможностью применения бортовой штатной оптикотелевизионной (оптико-электронной) аппаратуры и бортового компьютера, что позволит существенно уменьшить массу и габариты необходимого дополнительного оборудования. С другой стороны, применение аппаратно-программных средств ОЭУ в комплексе с другими средствами навигации позволит значительно повысить надежность и безопасность автоматической посадки АЛР.
Структурная схема оптико-электронного устройства для автоматической посадки АЛР представлена на рис. 1.
Фюзеляж АЛР
ОЭУ Объектив
К системе Бортовой управления компьютер
ПУ
ХТ Привод ПУ
ПЗС
Рис. 1
Отраженное от земной поверхности оптическое излучение попадает в поле зрения объектива и проецируется на фоточувствительную ПЗС-матрицу, где оптическое изображение преобразуется в матрицу электрических зарядов. ПЗС считывает электрические заряды, преобразуя их в цифровой сигнал, поступающий на блок первичной обработки изображения — видеопроцессор бортового компьютера, где с помощью специальных алгоритмов производится фильтрация полезного сигнала и вычисляются координаты ориентиров (или специальных реперов) — характерных точек (ХТ) объекта на земной поверхности.
В вычислительном устройстве бортового компьютера по координатам характерных точек, положению поворотного устройства (ПУ) и его привода, а также по данным с других датчиков (приемника GPS, датчика скорости, дальномера, акселерометра и др.) рассчитываются параметры пространственного положения АЛР.
Среди множества методик расчета расстояния (D) от ОЭУ, вдоль его оптической оси, до характерных точек на местности выделим две [11, 12]:
— с использованием одной телекамеры, установленной на борту АЛР, и нескольких ориентиров, расстояния между которыми известны;
— с использованием двух телекамер, установленных на борту АЛР, расстояние между которыми известно с высокой точностью.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
Оптико-электронное устройство автоматической посадки летающего робота
25
После вычисления в бортовом компьютере данные об углах ориентации АЛР и расстояниях до характерных точек объектов поступают на вход типовой (стандартной) системы управления (СУ) исполнительными механизмами АЛР.
Предложенный способ автоматической навигации, в том числе посадки АЛР, позволяет сформировать обобщенную структурную схему бортовой системы автоматического управления (САУ) роботом (рис. 2), в состав которой входят следующие элементы: бортовой компьютер (видеопроцессор, вычислительное устройство, микропроцессор), ОЭУ, привод ПУ, СУ, исполнительные механизмы (ИМ) и канал связи (КС).
Борт АЛР
ИМ СУ Датчики (GPS,
скорости, ускорения, угла атаки, дальномер,
высотомер и др.)
Бортовой компьютер
Вычислительное устройство
Видеопроцессор
Микропроцессор
ОЭУ
Привод ПУ
КС
Рис. 2
Оценка погрешностей измерительной системы ОЭУ. Условно погрешности измерительной системы ОЭУ можно разделить на „внутренние“ и „внешние“ [13]. Основные виды „внутренних“ погрешностей представлены в таблице.
„Внутренние“ погрешности ОЭУ
конструкционные
методологические
Конструкция корпуса устройства
Погрешность метода вычислений
Место размещения устройства в фю-
Фильтрация шумов по нескольким
зеляже АЛР
измерениям
Способы крепления ОЭУ на ПУ
Неточность формирования трехмер-
Погрешность калибровочной системы ной модели АЛР
Погрешность юстировки
Погрешности аналого-цифрового
Точность изготовления ПЗС-матрицы преобразователя
Ошибки привода ПУ
температурные
Флюктуационные шумы
Температурный дрейф конструкции устройства
Под „внешними“ погрешностями понимаются следующие воздействия: — дифракция неоднородности среды (атмосферы); — оптические засветки устройства; — оптическая неоднородность фона, рельефа и окружающей среды (дым, пыль); — изменения освещенности в районе посадки; — метеорологические условия: туман, облачность, осадки. Основная „внутренняя“ погрешность измерений ( ε ), по результатам предварительных исследований, включает в себя следующие компоненты:
— случайная (шумовая) погрешность ( εСКО );
— погрешность калибровки оптической системы ( εк );
— погрешность температурного дрейфа конструкции ( εт );
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
26 В. О. Иванов
— погрешность юстировки (привязки) ( εпр ).
Основная погрешность ОЭУ при однократном измерении координат характерной точки определяется как
ε2 = εС2 КО + εк2 + ε2т + εп2р ;
расчет погрешности εСКО выполняется с учетом случайной угловой погрешности при измерении координат одной характерной точки:
εСКО = 2ωε, где 2ω — угловое поле зрения объектива ОУЭ.
Приведем пример расчета случайных погрешностей определения линейных отклонений АЛР по курсу ( εx ) и дальности ( εd ) при вертикальном расположении оптической оси устройства (рис. 3). Исходные данные при расчете: поле зрения объектива ОЭУ ( 2ω ) 30°, угол ψ =6°, расстояние D =150 м.
ОЭУ
2ω
ψ
D А εx
В
εx ХТ ψ
εd
О
Рис. 3
Определим численные значения погрешностей для заданных условий.
Погрешность εx определяется соотношением
εx
=
2ω Z
D,
где Z = 40 000 — количество отсчетов в ПЗС-матрице (согласно паспортным данным); для
заданных условий εx ≈ 2 мм. Погрешность εd определяется параметрами треугольника АОВ (см. рис. 3). В тре-
угольнике, в силу малости угла ψ , отрезок AB ≈ εx , а ∠AOB ≈ ψ . Тогда выражение для линейной погрешности по дальности имеет вид
εd
=
εd . tgψ
Для заданных условий εd ≈ 20 мм.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
Оптико-электронное устройство автоматической посадки летающего робота
27
Таким образом, линейная погрешность по дальности превышает линейную погрешность
по курсу примерно в 10 раз.
С учетом накопления двух и более измерений (отсчетов) линейные погрешности по кур-
су и дальности рассчитываются по следующим формулам:
εx = (
n
)−1
⋅
2ω Z
D;
εd = (
n
)−1
⋅
εx tgψ
,
где n — количество измерений.
Результаты стендовых исследований. Предложенная схема построения оптико-
электронного устройства для автоматической посадки АЛР и методика расчета расстояния до
характерных точек на местности были опробованы на макете поворотной телекамеры в стен-
довых условиях.
Макет TV-камеры с поворотным устройством
Промышленный фен
Фрагмент фюзеляжа
АЛР
Светодиоды (ХТ)
Дисплей
Компьютер
Рис. 4
Стендовое оборудование для проведения экспериментальных исследований (структурная схема приведена на рис. 4) содержит фрагмент фюзеляжа АЛР, телекамеру с поворотным двухосевым устройством, систему светодиодов с различной длиной волны (синий, красный, зеленый), компьютер с дисплеем, источник тепла и турбулентности (промышленный фен) между камерой и светодиодами.
В результате исследований подтверждена возможность использования предложенной методики расчета дальности до характерных точек объекта и вычислены координаты положения макета фюзеляжа АЛР (X,Y,Z) и углы ориентации (курс, крен, тангаж).
Результаты стендовых исследований показали также, что основной вклад в погрешность измерений, связанную с влиянием внешних возмущающих факторов, вносит дифракция оптического излучения светодиодов, вызванная температурными градиентами воздушной среды: дополнительная погрешность может составлять до 50 мкм при дальности до 10 м и тем-
пературных градиентах 50 °C. Следует отметить, что дифракция оптического излучения светодиодов зависит от длины волны (при одном и том же значении градиента температуры). Погрешности измерений для красного, зеленого и синего светодиодов отличаются на 20—50 %.
Заключение. Полученные результаты исследований подтвердили принципиальную возможность использования оптико-электронного устройства (бортовых TV-камер) в качестве
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
28 В. О. Иванов
датчиков навигации и ориентации малогабаритных автономных летающих роботов, а также возможность разработки на основе ОЭУ математических моделей и методов построения системы автоматического управления полетом и посадкой АЛР.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Распопов В. Я. Концепция построения и проектирования авионики малоразмерных беспилотных летательных аппаратов // Мехатроника, автоматизация, управление. 2008. № 10. С. 54—54.
2. Зиновьев А. В., Гузий А. Г. Информационные комплексы для автономных автоматических систем посадки // Проблемы безопасности полетов. 2008. № 8. С. 40—49.
3. Иванов В.П. Оптимизация управления динамическими системами на границе допустимого множества управлений методом огибающих // Тр. СПИИРАН. 2007. Вып. 4. С. 270—276.
4. Иванов В. П. Оптимизация вырожденного управления динамическими системами методом огибающих // Тр. СПИИРАН. 2006. Вып. 3, т. 2. 2006. С. 358—365.
5. Михалев И. А., Окоемов Б. Н., Чикулаев М. С. Системы автоматической посадки. М.: Машиностроение, 1975. 216 с.
6. Юревич Е. И. Интеллектуальные роботы. М.: Машиностроение, 2007. 360 с.
7. Мамаев В. Я., Синяков А. Н., Петров К. К., Горбунов Д. А. Воздушная навигация и элементы самолетовождения. СПб: СПбГУАП, 2002. 256 с.
8. Черный М. А., Кораблин В. И. Самолетовождение. М.: Транспорт, 1973. 368 с.
9. Управление и наведение беспилотных маневренных летательных аппаратов на основе современных информационных технологий / Под ред. М. Н. Красильщикова и Г. Г. Себрякова. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 280 с.
10. Визильтер Ю. В., Желтов С. Ю. Проблемы технического зрения в современных авиационных системах // Механика, управление и информатика, 2011. № 6. С. 11—44.
11. Алферев Г. В., Иванов В. О., Чернакова С. Э. Устройство интеллектуального управления и обучения андроидными роботами // Процессы управления и устойчивость: Тр. 39-й науч. конф. аспирантов и студентов; Под ред. Н. В. Смирнова, Г. Ш. Тамасяна. СПб: Изд-во СПбГУ, 2007. С. 97—104.
12. Севостьянов Р. А., Заблоцкая А. В., Румянцев Н. Н., Иванов В. О. Моделирование автоматической посадки АЛР с использованием интеллектуальной системы автоматического управления // Проблемы механики и управления: Межвуз. сб. науч. тр. Пермь: Изд-во Пермского гос. нац. исслед. ун-та, 2009. С. 148—155.
13. Якушенков Ю. Г., Луканцев В. Н., Колосов М. П. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах. М.: Радио и связь, 1981. 180 с.
Валерий Олегович Иванов
Сведения об авторе — аспирант; СПИИРАН, лаборатория прикладной информатики и проблем ин-
форматизации общества; E-mail: ivanov4mail@gmail.com
Рекомендована СПИИРАН
Поступила в редакцию 10.06.12 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11