Введение к работе
Актуальность исследования. Беспилотная авиация - одно из самых перспективных направлений в авиации на сегодняшний день. Согласно оценке аналитической компании Teal Group, в период с 2011 по 2020 год объем рынка беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) вырастет с 5,9 до 15,1 миллиардов долларов США. Маркетинговое агентство Frost&Sullivan прогнозирует рост доходов глобального рынка БПЛА с 2,8 миллиардов долларов США в 2005 году до 5,5 миллиардов долларов США в 2016 году, что является самым высоким показателем среди сегментов мировой авиакосмической отрасли.
Исследование структуры рынка БПЛА показывает, что наиболее востребованными аппаратами для гражданского применения в настоящее время являются моторные БПЛА средней дальности (класс MR) самолетного типа, что связано с более привлекательным, по сравнению с другими классами, соотношением цены и функциональных возможностей.
Бортовое оборудование этого класса БПЛА должно включать развитый пилотажно-навигационный комплекс (ПНК), формирующий пилотажно-навигационные данные для системы управления. К таким данным предъявляются повышенные требования по точности, доступности, целостности и непрерывности для обеспечения безопасного полета и успешного выполнения полётного задания. Кроме того, к аппаратному обеспечению ПНК БПЛА средней дальности, предъявляются повышенные (по сравнению с БПЛА более высоких классов) требования по массогабаритным характеристикам, энергопотреблению и конечной стоимости.
Выполнение указанных требований обуславливает использование в ПНК БПЛА среднего класса недорогих и малогабаритных систем и датчиков первичной информации, что, в свою очередь, приводит к необходимости использования математического аппарата обработки первичных данных, позволяющего достичь заданных характеристик выходных параметров. Обеспечение требуемой точности на различных режимах полёта для этого класса БПЛА с одновременным повышением автоматизации управления- не до конца решённая на сегодня задача. Один из наиболее сложных режимов полёта - режим посадки, а возможность выполнения автоматической посадки БПЛА в значительной степени зависит от точности определения пилотажно-навигационных параметров.
Работы по улучшению характеристик ПНК БПЛА проводятся как в России, так и за рубежом. Интересные теоретически и практические результаты для различных классов БПЛА получены в МАИ, МГУ, МГТУ им. Баумана, КГУ, СГАУ, ЗАО «Транзас Авиация», ОАО «НИИ «Кулон», корпорации «Иркут», ведущих технических ВУЗах и самолётостроительных фирмах России, США, Франции, Италии, Германии и Израиля. Тем не менее, задача достижения требуемой точности ПНК моторного БПЛА средней дальности самолетного типа для применения в гражданской сфере до сих пор не решена в полном объёме, что особенно касается этапа автоматической посадки.
Таким образом, повышение точности определения пилотажно-навигационных параметров моторного БПЛА средней дальности на этапе посадки является востребованной на практике актуальной задачей, имеющей большое значение для расширения возможностей и области применения аппаратов этого типа.
Объект исследования. ПНК моторного БПЛА средней дальности самолетного типа для применения в гражданской сфере (далее в тексте БПЛА).
Предмет исследования. Дополнительный канал ПНК для определения пилотажно-навигационных параметров БПЛА на базе фотограмметрической обработки изображения искусственных наземных ориентиров, получаемых с бортовой камеры, как позволяющий улучшить характеристики комплекса.
Цель исследования. Повышение точности определения параметров ориентации и навигации БПЛА на базе фотограмметрической обработки изображения искусственных наземных ориентиров для обеспечения автоматической посадки.
Для достижения поставленной в диссертационной работе цели решены следующие научно-технические задачи:
на базе системного подхода сформированы требования к системе определения параметров ориентации и навигации БПЛА на базе фотограмметрической обработки изображения искусственных наземных ориентиров для обеспечения автоматической посадки и обосновано её включение в состав и структуру ПНК БПЛА для обеспечения автоматической посадки;
разработан алгоритм определения параметров ориентации и навигации БПЛА на этапе посадки, позволяющий повысить точность определения этих параметров;
построена математическая модель измерений системы определения параметров ориентации и навигации БПЛА на базе фотограмметрической обработки изображения наземных ориентиров для цифрового изображения и исследовано влияние возмущающих факторов на точность их определения;
разработана методика поиска рабочих областей системы определения параметров ориентации и навигации БПЛА на базе фотограмметрической обработки изображения искусственных наземных ориентиров;
разработано программное обеспечение, реализующее созданное математическое обеспечение определения параметров ориентации и навигации БПЛА на базе фотограмметрической обработки изображения искусственных наземных ориентиров;
проведено имитационное и полунатурное моделирование на базе разработанного программно-алгоритмического обеспечения.
Методы исследования. Диссертационная работа выполнена
с использованием методов системного анализа, обработки информации, определения параметров ориентации и навигации, численных методов математического анализа и компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проводились с использованием пакета MATLAB и разработанного полунатурного стенда.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
разработана математическая модель цифрового фотоизображения трех наземных ориентиров с известными координатами в связанной системе координат, формируемого бортовой камерой БПЛА; модель позволяет с достаточной точностью определять на этапе посадки параметры ориентации и навигации БПЛА относительно этой системы координат;
разработан алгоритм определения параметров ориентации и навигации БПЛА на этапе посадки на основе цифрового фотоизображения трех наземных ориентиров, базирующийся на новом способе определения местоположения и углов ориентации летательного аппарата относительно взлётно-посадочной полосы и численном методе Ньютона для решения системы нелинейных уравнений; алгоритм позволяет определить эти параметры с требуемой точностью;
разработана методика поиска рабочих областей системы определения параметров ориентации и навигации БПЛА на базе фотограмметрической обработки изображения искусственных наземных ориентиров, с использованием созданного программно-алгоритмического обеспечения.
Научные результаты, выносимые на защиту:
математическое обеспечение (разработанные модель и алгоритм), позволяющие определять параметры ориентации и навигации БПЛА на этапе посадки с требуемой точностью, а именно: по результатам математического и полунатурного моделирования оценка параметров ориентации относительно местной системы координат составила не более: 2 м по боковому смещению, 2 м по удалению, 1,5 м по высоте, 1,5 градуса по углу тангажа, 1,5 градуса по углу курса и 1,5 градуса по углу крена;
методика поиска рабочих областей системы определения параметров ориентации и навигации БПЛА, подтверждающая работоспособность разработанного математического обеспечения в требуемых областях на этапе посадки;
результаты моделирования и полунатурных экспериментов, подтвердившие достоверность полученных в работе результатов.
Практическая значимость результатов работы состоит в:
создании программного обеспечения для моделирования работы системы определения параметров ориентации и навигации БПЛА на базе фотограмметрической обработки изображения искусственных наземных ориентиров в среде математического моделирования и программирования MATLAB;
применении на этапе посадки разработанного программно-алгоритмического обеспечения для определения параметров ориентации и навигации БПЛА с требуемой точностью.
Внедрение результатов. Результаты диссертации использованы при разработке перспективного пилотажно-навигационного комплекса БПЛА
«Дозор-100», разрабатываемого ЗАО «Транзас Авиация», и проведении учебного процесса на кафедре «Приборы и измерительно-вычислительные комплексы ФГБОУ ВПО «Московский Авиационный Институт (национальный технический университет)», что подтверждается соответствующими актами внедрения.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением использованного математического аппарата, результатами математического моделирования и их экспериментальной проверкой на разработанном полунатурном стенде.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
XIX и XX международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», г. Алушта, 2010, 2011 гг;
VII Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Технологии Microsoft в теории и практике программирования», г. Москва, 2010 г;
научно-практической конференции «Инновации в авиации и космонавтике-2010», г. Москва, 2010 г.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах.
Структура и объём диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованных источников. Общий объём работы составляет 143 страницы, включая 64 рисунка и 4 таблицы. Список использованных источников содержит 89 наименований.
