Содержание к диссертации
Введение
1 Определение структуры системы управления посадкой БИЛА на суда, не оснащённые взлётно-посадочной полосой 13
1.1 Сравнительный анализ способов посадки БИЛА на суда, не оснащённые взлётно-посадочной полосой 13
1.2 Определение структуры автономной бортовой системы управления посадкой БИЛА 25
Выводы по разделу 1 26
2 Траектория сближения БПЛА и судна-носителя 27
2.1 Формирование вектора параметров оптимальной траектории сближения БПЛА и судна-носителя 27
2.2 Оценка начального рассогласования системы самонаведения БПЛА 44
2.2.1 Моделирование оптимальной программной траектории сближения БПЛА и судна-носителя 44
2.2.2 Имитационное моделирование движения БПЛА вдоль оптимальной программной траектории сближения 46
2.3 Повышение качества отработки оптимальной программной траектории сближения 50
Выводы по разделу 2 53
3 Управление посадкой беспилотного летательного аппарата на участке самонаведения при использовании ТВК 54
3.1 Принципы определения величины промаха БПЛА при управлении на конечном участке управления на основе ТВК 54
3.2 Измерение дальности от БПЛА до посадочного устройства 58
3.3 Оценка точности приведения БПЛА к посадочному устройству при равномерном прямолинейном движении носителя 63
3.4 Особенности наведения БПЛА на посадочное устройство при качке судна-носителя 67
Выводы по разделу 3 74
4 Экспериментальные исследования точности определения объектов, наблюдаемых телевизионным координатором 77
4.1 Технические средства и объекты экспериментальных исследований 77
4.2 Методика обработки видеоматериала испытаний 83
4.2.1 Измерение отношения сигнал/фон имитатора светового маяка 83
4.2.2 Измерение угловых и линейных размеров малоразмерных объектов ... 85
4.2.3 Оценка погрешности измерения координат границы разделения областей разного цвета 94
4.2.4 Оценка погрешности измерения линейного и углового расстояния между наблюдаемыми объектами 96
4.2.5 Оценка погрешности наблюдения объектов с плавным изменением контраста изображения 98
Выводы по разделу 4 102
Заключение 105
Список использованных источников
- Определение структуры автономной бортовой системы управления посадкой БИЛА
- Оценка начального рассогласования системы самонаведения БПЛА
- Измерение дальности от БПЛА до посадочного устройства
- Измерение угловых и линейных размеров малоразмерных объектов
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Необходимость решения задач непрерывной оценки и прогнозирования развития военно-политической обстановки и связанной с ней военно-морской деятельности иностранных государств в Мировом океане, а также поддержания Военно-Морского Флота в заданной степени готовности к боевому применению в Мировом океане закреплена основами государственной политики Российской Федерации в области военно-морской деятельности. Решение в рамках этого задач разведки, целеуказания для комплексов ударного высокоточного оружия, ретрансляции связи, оценки нанесённого ранее ущерба при помощи беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), в том числе судового базирования, сопряжено с множеством преимуществ по сравнению со средствами пилотируемой авиации. Это, например, небольшие размеры и заметность, отсутствие потерь личного состава, сравнительно малая стоимость. Также БПЛА могут быть использованы и для решения различных гражданских задач, сохраняя при этом все названные преимущества их использования. Из таких задач, например, можно назвать: мониторинг линейных объектов энергетической инфраструктуры, аэрофотосъемочные и сканирующие работы для решения кадастровых и маркшейдерских задач, обеспечение связи и управления в зоне ликвидации чрезвычайной ситуации, экологический контроль. При этом для решения различных задач иногда БПЛА являются единственным возможным вариантом, поскольку такие аппараты приспособлены для полета через радиационно, химически или бактериологически зараженные зоны.
По данным ведущей международной ассоциации беспилотных систем UVS International количество наименований БПЛА самолётной схемы по миру имеет существенный перевес перед аппаратами всех прочих схем. Это подтверждается большой представительностью парка аппаратов самолётной схемы, предлагаемых российскими производителями. Эти аппараты имеют большую грузоподъемность, радиус действия и продолжительность полета. Однако применение БПЛА самолётной схемы на судах без взлётно-посадочной полосы затруднено тем, что их посадка с пробегом может осуществляться только на воду, что спряжено с трудностью последующего поиска и извлечения аппарата, необходимостью качественной его герметизации.
Решению вопроса посадки БПЛА самолётного типа на суда, не оснащённые взлётно- посадочной полосой, уделяется особенно большое внимание за рубежом, а также в России. Среди зарубежных предприятий можно назвать такие известные компании как Boeing Company, Lockheed Martin, British Aircraft Corporation. В России проработкой данного вопроса занимаются на предприятиях судостроительной и авиастроительной отрасли, военных научно-исследовательских институтах и ВУЗах (БГТУ, ГУАП, МАИ и МГТУ им. Н.Э.Баумана и др.). В поиске путей решения этой задачи важное место занимают работы научных работников и инженеров Концерна «Гранит-Электрон». Их работы основаны на схожести бортовой аппаратуры БПЛА и противокорабельных крылатых ракет (ПКР).
Использование существующих БПЛА самолётного типа на судах и кораблях, не оснащённых взлётно-посадочной полосой (а их подавляющее большинство), сдерживается отсутствием приемлемых для эксплуатации технических средств «сухой посадки». В связи с этим, разработка системы управления посадкой беспилотного летательного аппарата самолётного типа на движущееся судно, не оснащённое взлётно-посадочной полосой, является актуальной задачей.
В диссертационной работе рассматриваются БПЛА, где в качестве целевой аппаратуры мониторинга (в связи с его сравнительно малыми массогабаритными характеристиками и потребляемой мощностью, отработанной системой связи с оператором) используется телевизионный канал. С целью минимизации дополнительно бортового оборудования БПЛА, а также в связи с хорошей разрешающей способностью по углу телевизионный канал в диссертационной работе выбран и как средство информационного обеспечения бортовой системы автономного управления посадкой.
При построении системы управления посадкой БПЛА с использованием телевизионного координатора (ТВК) возможны несколько альтернативных вариантов. В диссертационной работе рассматривается автономное управление БПЛА с бортовым телевизионным координатором. Это достаточно сложный вариант с точки зрения реализации, но и наиболее заманчивый для судна-носителя, так как основная часть информационного обеспечения посадки БПЛА должна обеспечиваться его бортовой аппаратурой.
Целью диссертационной работы является доказательство возможности и определение технического пути создания автономной бортовой системы управления посадкой БПЛА самолётного типа, обеспечивающей приведение аппарата к захватному устройству движущегося судна, не оснащённого взлётно-посадочной полосой, с необходимой точностью.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:
определение способа посадки и структуры автономной бортовой системы управления посадкой БПЛА;
формирование вектора параметров оптимальной траектории сближения БПЛА и судна-носителя, а также повышение точности её отработки;
разработка информационно-технического обеспечения самонаведения БПЛА на захватное приспособление при помощи бортового ТВК, включая исследование особенностей наведения БПЛА на захватное приспособление в условиях качки судна;
экспериментальные оценки точности определения параметров объектов, наблюдаемых бортовым ТВК.
Научная новизна работы состоит в следующем:
доказана возможность и найден новый технический путь создания автономной бортовой системы управления посадкой БПЛА самолётного типа, обеспечивающей приведение аппарата к захватному устройству движущегося судна c необходимой точностью;
разработана новая методика формирования вектора параметров оптимальной траектории сближения БПЛА и судна-носителя;
предложен новый способ уменьшения влияния качки судна на точность приведения БПЛА к устройству зацепления.
Методы исследования базируются на системном анализе, динамике полета, математическом моделировании, теории автоматического управления, теории локации, статистическом моделировании и экспериментальных исследованиях.
Достоверность научных исследований и практических рекомендаций базируется на корректной постановке общих и частных, поставленных выше, задач, использовании известных фундаментальных теоретических положений технической кибернетики, достаточном объёме статистического моделирования и экспериментальном материале исходных данных для численных оценок достижимых качественных показателей.
Практическая ценность работы состоит в том, что все полученные результаты и рекомендации могут быть использованы, а ряд из них уже используется на практике. Практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в том, что:
предложенная автономная бортовая система управления БПЛА самолётного типа, имеющая в своём составе ТВК переднего обзора, обеспечивает приведение аппарата к захватывающему устройству движущегося судна без дополнительных аппаратурных затрат, только за счёт дополнительного программного обеспечения бортовой цифровой вычислительной системы;
показана возможность использования бортового ТВК для измерения параметров колебаний захватного устройства в условиях качки судна для прогнозирования его положения в момент сцепления с БПЛА;
разработаны практические рекомендации по приближённому и уточнённому расчёту параметров оптимальной траектории возвращения БПЛА на движущееся судно;
на основании экспериментальных исследований точностей определения параметров объектов, наблюдаемых ТВК, подтверждена возможность с высокой точностью определять координаты центров сигнальных маяков и положение границы разделения областей разного цвета на наблюдаемом объекте (судно, кран-балка, захватное устройство).
На защиту выносятся:
методика определения оптимальной траектории манёвра БПЛА при сближении с судном, а также способы повышения точности её отработки;
управление полем зрения бортового ТВК, позволяющее повысить точности оценки координат посадочного устройства и дистанции до него;
способ коррекции автономного управления посадкой БПЛА в условиях качки судна с прогнозированием координат захватного устройства на момент стыковки;
экспериментальные оценки отношения сигнал/фон, погрешности измерения координат и размеров объектов, погрешности измерения расстояния между объектами.
Реализация и внедрение. Результаты диссертационной работы использовались в:
ОАО «Концерн «Гранит-Электрон», ОКР «Дозор БПЛА», проведенная в рамках Федеральной целевой программы развития гражданской морской техники, 2009 - 2011.
ООО «СЭТЭЛ», ОКР по созданию аппаратуры технического зрения для подвижного объекта, 2011.
ЗАО «МИКАРД-ЛАНА», НИР «Испытания специального устройства анализа объёмных объектов фоно-целевой обстановки в реальном масштабе времени», 2011.
Апробация. Результаты работы обсуждались на научно-технических и научно- практических конференциях, научно-технических советах и научно-техническом семинаре:
Международная научно-техническая конференция «Пятые Уткинские Чтения» (СПб, БГТУ «Военмех», 2010).
ХХ научно-практическая конференция НТО судостроителей им. А.Н. Крылова (СПб, ФГУП «ЦНИИ технологии судостроения», 2010).
Научно-практическая конференция «ВОКОР-2010» (СПб, 1 ЦНИИ МО РФ, 2010).
Четырнадцатая всероссийская научно-практическая конференция РАРАН «Актуальные проблемы защиты и безопасности» (СПб, ВУНЦ ВМФ «Военно- морская академия им. Н.Г. Кузнецова», 2011).
Научно-техническая конференция молодых специалистов (СПб, ОАО «Концерн «НПО «Аврора», 2011).
Секция №5 НТС ОАО «Концерн «Гранит-Электрон». Технические предложения, включённые в Программу инновационного развития и План фонда научно- технического развития предприятия по темам «Стенд ФЦО», «Зацеп» и «КАСУ БПЛА» (2012).
Научно-технический семинар секции научно-технического обществе судостроителей им. академика А.Н. Крылова «Радиоэлектронное оборудование и вооружение кораблей» (СПб, ОАО «Концерн «Гранит-Электрон», 2013).
Научно-технический совет ОАО «Концерн «Гранит-Электрон» (СПб, 2013).
XV Юбилейная конференция молодых учёных «Навигация и управление движением» (СПб, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2013)
Публикации. По теме диссертации опубликованы 10 статей, из них 6 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных работ, 1 тезисы доклада, выпущен один отчёт, получено 2 патента на полезные модели.
Структура и объём диссертационной работы.
Поставленные задачи определили структуру работы, которая состоит из введения, 4- х основных разделов, заключения, списка используемой литературы из 78 наименований и 2 приложений. Основная часть работы изложена на 117 страницах машинописного текста и содержит 61 рисунок.
В приложения вынесены примеры расчётно-моделирующих программ (по разделу 2 работы) и численные оценки результатов измерения параметров объектов, наблюдаемых телевизионным координатором (по разделу 4).
Определение структуры автономной бортовой системы управления посадкой БИЛА
Не имеет недостатков, связанных с расположением захватного устройства непосредственно на палубе судна система посадки[35], поскольку здесь устройство захвата аппарата вынесено за контур судна. Судовое посадочное устройство здесь представляет из себя балку, устанавливающуюся на палубе судна (рисунок1.8). Балка имеет возможность поворота вокруг своей продольной оси, а также вокруг основания её крепления на судне. На балке, параллельно поверхности воды, закрепляется захватывающее устройство, представляющее из себя прямоугольную пластину с клинообразной нарезкой. БПЛА дополнительно оснащается тросом с подвешенным на его конце грузом. Трос крепится к хвостовому оперению БПЛА.
Процесс посадки БПЛА осуществляется следующим образом. В момент начала захода БПЛА на посадку балка разворачивается вокруг основания своего крепления, устанавливаясь перпендикулярно борту судна (до начала захода БПЛА на посадку балка целиком расположена на палубе судна). Бортовым координатором и системой управления БПЛА обеспечивается движение БПЛА параллельное борту судна с некоторым боковым отклонением от него не превышающим длины балки на высоте обеспечивающей нахождение груза, подвешенного на тросе ниже захватывающей пластины. Когда трос окажется захвачен одной из канавок пластины, начнется процесс торможения БПЛА после окончания которого аппарат окажется в подвешенном на тросе положении. Далее, с помощью имеющееся на борту судна лебедки, осуществляется вращательное движение захватной пластины, вследствие которого на нее наматывается трос и происходит подъем, за которым следует размещение БПЛА на палубе судна при помощи поворота балки.
Также не имеет недостатков, связанных с расположением захватного устройства непосредственно на палубе судна система посадки [43,44] (рисунок 1.9). Рисунок 1.9
Здесь на борт судна устанавливается балка, закрепленная страховочными стропами, таким образом, что основная часть балки располагается за бортом судна. К концу балки крепится подвижный замок, расположенный вертикально относительно палубы. При подлете к посадочному устройству из БПЛА автоматически выбрасывается трос, который с помощью специального карабина зацепляется за подвижный замок. После зацепления тросом посадочного замка происходит автоматическое выключение двигателя. Местоположение посадочного устройства выбирается с учетом особенностей конструкции судна. Для обеспечения точности выведения БПЛА в точку посадки, в систему посадки вводятся световые маяки.
Этому способу посадки отдаётся предпочтение в настоящей работе, поскольку, как уже было указано, он является свободным от большинства недостатков присущих рассмотренным способам. При этом для обеспечения приведения БПЛА к захватному устройству с необходимой точностью предлагается использовать четыре световых маяка. На кран-балке, на определенном расстоянии друг от друга, монтируются два световых маяка. Ещё один маяк располагается на кронштейне, устанавливаемом на борту судна на определенном расстоянии от кран-балки как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Первый, второй и третий маяки образуют в вертикальной плоскости правильный треугольник. Четвертый световой маяк располагается на борту судна, противоположном монтажу кран-балки и кронштейна. Схема расположения маяков приведена на рисунке 1.10. На рисунке 1.10, а) приведен пример расположения маяков в вертикальной плоскости зоны зацепления БПЛА и посадочного устройства. Характерными конструктивными размерами здесь являются расстояние ах в горизонтальной плоскости между маяками 2 и 3, а также расстояние между маяками 1 и 2, например, 0.5а!. В вертикальной плоскости расстояние между маяками 1 и 2 или 3 обозначено Ъх . Пример расположения маяков в горизонтальной плоскости приведен на рисунке 1.10, б). Кронштейн (рисунок 1.10, в)) обеспечивает расположение маяка 1 в вертикальной плоскости относительно кран-балки, как показано на рисунке 1.10, а).
Имеются два подхода к разработке бортовой аппаратуры БПЛА [42]. Первый - создание такой аппаратуры по принципу самолетных схем. В этом случае бортовая аппаратура, занимает существенные объёмы, имеет значительный вес, требует вмешательства оператора для принятия решений в различных ситуациях. Второй подход, развиваемый в настоящее время на многих предприятиях-разработчиках БПЛА (в том числе в ОАО «Концерн «Гранит-Электрон»), предполагает разработку бортовой аппаратуры БПЛА по принципу автономных бортовых систем управления ракетами. Такой подход обеспечивает минимальные габариты бортовой аппаратуры и максимальную автономность БПЛА[42] в связи, с чем и развивается в рамках данной работы применительно к системе управления посадкой. На рисунке 1.11 представлен обобщенный вариант структурной схемы автономной бортовой системы управления посадкой БПЛА, ориентированной на этот подход.
Существует множество способов посадки БПЛА, предполагающих посадку с использованием специализированных устройств механического захвата, и соответственно, пригодных для посадки на суда без взлётно-посадочной полосы. Большинство таких способов обладают рядом следующих общих недостатков:
С целью избежания указанных недостатков, в работе предпочтение отдается способу, предполагающему посадку с помощью устройства зацепления, установленного на вынесенной за пределы контура судна кран-балке. Этот способ свободен от перечисленных недостатков.
Исходя из существующего опыта предприятий-разработчиков БПЛА, разработка бортовой аппаратуры БПЛА по принципу автономных бортовых систем управления ракетами обеспечивает минимальные габариты бортовой аппаратуры и максимальную автономность БПЛА. Это направление развивается в настоящей работе применительно к посадке БПЛА на движущееся судно. 2 Траектория сближения БПЛА и судна-носителя
При выполнении программы полёта движение БПЛА, заданное полётным заданием, может существенно меняться по команде с пульта управления в зависимости от результатов текущей информации мониторинга, погодных условий или изменения маршрута движения носителя. В связи с этим необходимо во время полёта контролировать возможность возвращения БПЛА на носитель. Для этого нужно иметь возможность в каждый момент времени определять длину кратчайшей траектории возвращения, а также саму такую траекторию для осуществления возвращения БПЛА.
Кратчайшая траектория возвращения БПЛА и судна-носителя посадочного устройства может быть рассмотрена как расширение на пространственный случай плоских кратчайших траекторий перехода автомобиля из начального положения в конечное при заданных начальных и конечных координатах и направлениях движения [50, 51]. Такие плоские траектории рассматривались американским учёным Л. Дубинском, которым в 1957 году было доказано [52, 53, 54], что для автомобиля с минимально допустимым радиусом разворота , двигающемся только вперёд и не имеющем на своём пути препятствий, кратчайшим путём между любыми двумя его положениями (характеризуемыми координатами и направлением движения) является последовательность участков прямых линий (S) и дуг окружности радиуса R (С) вида CSC, ССС. И, таким образом, существует всего шесть возможных кандидатов на кратчайший путь: LSL, LSR, RSL, RSR, LRL, RLR. Здесь L имеет смысл поворота по дуге окружности против часовой стрелки, a R - поворота по дуге окружности по часовой стрелке. Траектории такого вида были названы кривыми Дубинса, их примеры приведены на рисунке 2.1.
Оценка начального рассогласования системы самонаведения БПЛА
Четвёртый участок - движение, близкое к прямолинейному, по курсу судна между точками А3 и конечной точкой Пт посадки БПЛА. Длина этого участка L!V имеет постоянное значение, например, 200 - 300м. Эта величина выбирается заранее из условия обеспечения точного наведения БПЛА на устройство посадки. Здесь выбираются погрешности реализации расчётной траектории сближения и происходит снижение скорости БПЛА до величины, необходимой для посадки.
Угловое расстояние Д р между различными точками вычисляется как: Л р = (q)K — (pH)sign(Directiori). Здесь срк - конечный угол разворота, рн - начальный угол разворота, Direction - направление разворота, Direction = — 1 для разворота по часовой стрелке, Direction = 1 для разворота против часовой стрелки. Для cpj конечный и начальный углы определяются как: срк = р2, (рн = ірло а Для 4іт конечный и начальный углы определяются как: срн = ср2, рк = по- В случае если после вычисления А(р получено значение меньшее нуля, А(р = Д р + 2л\
Расчёт протяжённости кратчайшей траектории сближения L в реальном масштабе времени позволит контролировать возможность возвращения БПЛА на судно-носитель посадочного устройства. Если оставшийся запас горючего на борту уменьшился до величины Мкр , необходимой для возвращения на носитель, то нужно начинать манёвр возвращения БПЛА. Значение Мкр определяется как:
Здесь mL - расход топлива на единицу пути БПЛА. При формировании траектории сближения в плоском виде подразумевается линейное снижение БПЛА. В результате чего, на момент его окончания, вертикальная составляющая вектора скорости оказывается ненулевой. Последнее приводит к просадке аппарата. В связи с этим, а также с тем, что формирование траектории сближения в плоском виде в принципе является частным случаем, построение оптимально программной траектории необходимо осуществлять раздельно для двух плоскостей. При этом, для боковой плоскости принцип формирования траектории совпадает с изложенным, а в продольной плоскости для обеспечения близкой к нулю вертикальной составляющей вектора скорости БПЛА Vy(t) на момент окончания снижения необходимо осуществлять смену закона снижения с линейного на экспоненциальный [58]. Траектория снижения в этом случае показана на рисунке 2.5.
На рисунке 2.5 обозначены: Ас - точка стыковки линейного и экспоненциального участков снижения, N - общее количество точек траектории сближения БПЛА и носителя до начала участка самонаведения, п± - количество точек, составляющих линейный участок снижения, п - номер точки траектории снижения. Прямая, по которой происходит снижение на начальном участке, проходит через точку (0, уА0) и имеет угловой коэффициент УАС УАО. Здесь уАС
Приведенные расчеты справедливы для модели системы управления БПЛА не учитывающей инерционность. Определение траектории сближения БПЛА с судном при учёте инерционности и оценку начального рассогласования системы самонаведения БПЛА можно выполнить путём имитационного моделирования движения БПЛА по рассчитанной изложенным образом оптимальной программной траектории. 2.2 Оценка начального рассогласования системы самонаведения БПЛА
Моделирование программной траектории сближения БПЛА и судна-носителя в боковой плоскости осуществляется следующим образом [57, 65]. Координаты программной траектории сближения БПЛА и судна-носителя формируются отдельно для каждого из её участков. Для первого участка формирование каждой і-ой пары координат программной траектории xx(V), z i) осуществляется на основе следующих итерационных формул:
Окончание первого участка регистрируется при выполнении условия: 0.5(1 !(і) - хА1\ + Iz i) - zA1\) є. Здесь є - заданная величина. При выполнении последнего условия количество расчетных точек на первом участке і± принимается равным і± = і.
На втором (прямолинейном) участке координаты расчетной траектории формируются согласно соотношениям: х2(0 = хА1 + iVAAtcos((p2),z2(Q = zA1 + iVAAtsin((p2), і = 1,2,... Окончание второго участка регистрируется при выполнении условия: 0.5( 2(0 - хА2\ + z2(i) - zA2\) є. При выполнении последнего условия количество расчетных точек на втором участке і2 принимается равным і2 = і.
Координаты третьего участка расчетной траектории х3(0 , z3(0 определяются аналогично координатам на первом участке с учетом выбранного направления разворота вдоль второй окружности. Значение р(0) начального угла дуги разворота здесь определяется в зависимости от начального угла поворота вектора скорости судна, а также от расположения второй окружности относительно точки А3 аналогично тому, как это делалось для первого участка. Количество расчетных точек на этом участке - i3.
Формирование вертикальных координат программной траектории осуществляется согласно соотношениям (2.16) и (2.17). 2.2.2 Имитационное моделирование движения БПЛА вдоль оптимальной программной траектории сближения
Измерение дальности от БПЛА до посадочного устройства
Сравнение зависимостей на рисунках 4.17, 4.18, 4.19, 4.20 показывает, что превышение (контраст) сигнала относительно фона при реальной освещённости шаблона ФЦО снижается с 255 у идеального изображения объекта в среднем до 117 единиц у Кв2 и 22 единиц у Кв1. Таким образом, у объектов разного размера при ухудшении общей освещённости их контраст относительно одного фона снижается различно - у объекта большего размера он снижается менее значительно.
Также следует отметить, что чем меньше контрастность наблюдаемого объекта из-за плохой освещённости и малого геометрического размера, тем сильнее сказываются спектральные различия в величине превышения сигнала над фоном. Так для Кв1 наименьший контраст имеет место для синего цвета -всего 12 единиц, а для красного и зелёного величина контраста - 22 единиц.
Как видно из рисунка 4.16, объект Кв1 занимает 1 элемент разрешения (малый белый пунктирный квадрат). Таким образом, его линейные размеры составят 0.5 мм и 0.56 мм по осям ги усоответственно, что близко к истинному размеру рассматриваемого объекта ( 0.5 х 0.5 мм) с точностью до одного элемента разрешения. Если измерять линейный размер объекта Кв1 по величине контраста, близкого к уровню интенсивности фона(болыной пунктирный прямоугольник на рисунке 4.16) то размер объекта по горизонтали превысит истинный размер в 3 раза, по вертикали в 2.24 раза.
Как видно из рисунка 4.15, объект Кв2занимает 2 элемента разрешения. Таким образом, его размеры составляют 1 мм и 1.12 мм по осям ги усоответственно. То есть, в этом случае, измеренный размер в два раза меньше истинного размера Кв2 (2 х 2 мм). Если измерять линейный размер Кв2 по величине контраста, близкого к уровню интенсивности фона (большой пунктирный прямоугольник на рисунке 4.15), то размер объекта превысит истинный размер в 1.25 раза по оси z (измеренный размер составляет 2.5 мм), а по оси у в 1.12 раза (измеренный размер составляет 2.24мм). Таким образом, ближе к истинному размеру оказывается размер на уровне половины от максимальной величины контраста.
На примере верхнего левого угла чёрного щита кадра (рисунок 4.8) в укрупнённом масштабе, показанном на рисунке 4.21, определим «размывание» линий границы щита. 461 74 76 78 80 82 84 Рисунок 4. Распределение интенсивности сигнала пикселей 60-ой строки приведено на рисунке 4.22, 78-го столбца - на рисунке 4.23.
Из анализа графиков рисунков 4.22-4.23 видно, что контраст чёрного щита на фоне стены составляет от 100 (для зеленого цвета) до 140 (для синего цвета) единиц разрешения амплитуды сигнала. Основное влияние на величину контраста оказывает спектр излучения (отражения) чёрного щита. Также, из анализа указанных графиков, видно, что наблюдаемая граница яркости изображения изменяется приблизительно линейно на протяжении 5 элементов разрешения («5 пикселей«5 мм). Реальная же граница чёрного щита не
превосходит 1 элемента разрешения (ж 1 пикселя» 1 мм). Если принять «размыв» границы щита и фона симметричным, то положение границы щита определяется по амплитуде сигнала, соответствующей середине между средним значением сигнала от щита и средним значением сигнала от фона (стены).Разница в измерении координат края щита в цветах R, G и В составляет ж 1 пиксель» 1 мм, что соответствует реальному допуску на точность изготовления щита.
Отметим, что гипотеза симметричного или другого более сложного закона размывания интенсивности (амплитуды) сигнала на границе разделения областей разного цвета нуждается в проверке и постановке более точного эксперимента.
В качестве примера определим погрешность измерения расстояния / от имитатора светового маяка до левого верхнего угла чёрного щита. Имитатор закреплён в центре щита известных размеров, погрешность его размещения ± 0.5 мм. Истинное значение расстояния / составляет 388.1 мм.
В соответствии с проведенным ранее анализом кадра рисунка 4.8, координаты левого верхнего угла щита (по среднему контрасту) z1 = 73 и ух = 54, а координаты центра светодиодаг2 = 373 и у2 = 249. Тогда, с учётом определённых ранее разрешающих способностей в горизонтальной и вертикальной плоскостях/ и/судля случая кадра рисунка 4.8,расстояние между светодиодом и левым верхним углом щита будет определятся как:
Проведём измерение того же расстояния на основе изображения телевизионного кадра, приведённого на рисунке 4.24. При получении этого кадра камера была сдвинута таким образом, чтобы щит со светодиодом оказался в нижнем правом углу.
Полученные в результате анализа кадра рисунка 4.24, координаты левого верхнего угла щита составляют: zx = 429, ух = 257. Полученные таким же образом, координаты центра светодиода составляют: z2 = 723 и у2 = 452 .Пользуясь этими данными и полученными ранее разрешающими способностями, и рассчитывая расстояние между левым верхним углом щита и светодиодом аналогично рассмотренному выше случаю, получим, что искомое расстояние составит/ = 380.3 мм. Здесь погрешность измерения составляет 2%, то есть в 2 раза больше, чем для случая рисунка 4.8. В рассмотренном случае, увеличение погрешности измерения связано с большим размытием изображения угла щита и оптическими искажениями на периферической зоне поля зрения ТВК.
Для оценки плавного изменения контраста изображения на макете ФЦО присутствуют две полосы из 24 участков одинакового размера с равномерным увеличением (уменьшением) яркости от 0 (255) до максимума (минимума) 255 (0) единиц (рисунок 4.6). Изменения интенсивностей для верхней полосы макета ФЦО приведено на рисунке 4.25, для нижней полосы макета ФЦО - на рисунке 4.26.
Измерение угловых и линейных размеров малоразмерных объектов
Понижение величины «слепой зоны» может быть достигнуто за счёт увеличения максимального значения поля зрения телевизионного координатора, а также за счёт уменьшение расстояния между маяками
При понижении Хсл за счёт увеличения максимального значения поля зрения телевизионного координатора, необходимое максимальное поле зрения ТВК при заданном значении величины «слепой зоны», известном расстоянии установки маяков друг относительно друга, а также известном количестве элементов разрешения, занимаемых маяком и симметричности распределения изображения маяка относительно центра, определяется на основе следующего соотношения:
Здесь п - количество элементов разрешения, занимаемых световым маяком. Иллюстрирует эту зависимость для различных поперечных расстояний между маяками рисунок 3.12. .a —2 м. .a =10 м. Количество элементов разрешения приёмной системы ТВК, занимаемых маяком, а также характер распределения интенсивности изображения маяка относительно центра необходимо было подтвердить экспериментально.
Получены аналитические выражение для угловых ошибок приведения БПЛА к устройству зацепления (соотношения (3.1)), а также аналитическое выражение для величины промаха БПЛА(соотношения (3.4)) при управлении на конечном участке при помощи ТВК и устанавливаемых на судне световых маяков.
Получено аналитическое выражение для погрешности измерения дальности от БПЛА до посадочного устройства (соотношение (3.5)) при измерении последней без установки дополнительных конструктивных элементов на БПЛА и носителе посадочного устройства на основе геометрических соотношений. - Произведена оценка точности измерения дальности, показывающая, что погрешность измерения дальности уменьшается при уменьшении дальности, а также увеличении расстояния между маяками и количества точек в строке приемного устройства координатора (рисунки 3.3- 3.4).
Показана возможность увеличения точности измерения дальности и точности измерения углового положения маяков относительно БПЛА за счет использования в телевизионном координаторе объектива с переменным фокусным расстоянием и обеспечения согласования поля зрения приёмного устройства телевизионного координатора с угловым размером расстояния между наблюдаемыми маяками. Такие меры для рассмотренного в работе случая позволили получить ошибку определения углового положения маяков не превышающую 0.01 градуса и снизили ошибку измерения дальности в разы (рисунок 3.5).
Возможность использования телевизионного координатора для управления БПЛА на конечном участке траектории посадки подтверждено результатами моделирования процесса сближения. Так, при небольшой разнице скоростей у . БПЛА и судна ( л/у = 2 ),обеспечиваются допустимые погрешности приведения БПЛА в конечное положение даже при наличии постоянной ошибки координатора 1.
Проведена оценка возможности посадки БПЛА в условиях качки судна, в результате которой показано, что величина промаха БПЛА будет являться допустимой, в случае если момент стыковки приходится на определённые значения скорости сближения (рисунок 3.9) (определённые значения фазы колебаний точки прицеливания, при которых оказывается, что скорость этих колебаний минимальна).
Предложен способ, позволяющий компенсировать влияние качки на точность приведения БПЛА в конечную точку и не предусматривающий регулирования скорости БПЛА, который заключается в прогнозировании величины смещения посадочного устройства в момент подлёта к нему БПЛА и последующем учёте этого смещения при формировании точки прицеливания. При использовании этого способа компенсации в рассмотренной ситуации промах БПЛА составляет 0.04 м., что не превышает величины зоны зацепления для выбранного посадочного устройства, составляющей 0.1 м.
Получена аналитическая (соотношение (3.7)) и численная оценка (рисунок 3.10)методической погрешности вычисления величины смещения посадочного устройства в момент стыковки при её расчете в начале зоны самонаведения. Полученная численная оценка (максимум методической погрешности для рассматриваемого случая достигает 0.2 м при зоне зацепления 0.1 м) подтверждает необходимость пересчета указанного смещения в процессе подлета БПЛА к судну на конечном участке траектории сближения.
Показано, что путём однократного пересчёта величины смещения посадочного устройства в момент стыковки методическая погрешность его расчёта уменьшается в 20 раз. Таким образом, при неоднократном пересчёте она может быть полностью компенсирована.
Получена аналитическая зависимость необходимой величины максимального поля зрения телевизионного координатора от заданного значения величины «слепой зоны», известного расстоянии установки маяков друг относительно друга, а также известного количества элементов разрешения, занимаемых маяком и симметричности распределения изображения маяка относительно центра (соотношение (3.8)). 4 Экспериментальные исследования точности определения объектов, наблюдаемых телевизионным координатором
Основными параметрами ТВК, определяющими качество управления посадкой БПЛА, является качество распознавания и точность определения координат наблюдаемых объектов. Проведем качественную и количественную оценку геометрических параметров наблюдаемых объектов как основного признака их распознавания, а также координат типовых объектов [90, 91]. В качестве аналога бортовой аппаратуры ТВК в работе используется телевизионная камера Wonwoo WCM-101 RuggedMini PTZ Camera.
![Рациональное управление системой психологической помощи на основе медицинского мониторинга и организации психопрофилактического процесса [Электронный ресурс]](/i/i/4409/168295.png "Рациональное управление системой психологической помощи на основе медицинского мониторинга и организации психопрофилактического процесса [Электронный ресурс] Склярова Татьяна Петровна")
