Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 . Состояние проблемы и тенденции развития навигационных систем 10
1.1. Инерциальные навигационные системы 10
1.2. Обзор методов измерения путевой скорости 18
1.2.1. Метод решения навигационного треугольника скоростей 18
1.2.2. Метод визирования земной поверхности 19
1.3.1. Корреляционный метод измерения путевой скорости 20
1.3. Классификация существующих ОЭС навигационного контура ЛА 22
1.4. Обзор ОЭС систем зарубежных стран 26
1.5. Постановка задачи исследования 28
Выводы по главе 30
ГЛАВА 2. Математические модели движения ЛА, измерительной системы, системы управления 32
2.1. Модель движения ЛА 34
2.2. Балансировочные параметры 41
2.3. Режим стабилизации 41
2.4. Математическая модель среды движения 43
Выводы по главе 43
ГЛАВА 3. Алгоритм определения путевой скорости ЛА с помощью ОЭС 44
3.1. Разработка алгоритма вычисления путевой скорости 44
3.2. Модель формирования изображения 49
3.3. Поиск идентичных участков фрагментов двух изображений местности . 52
3.3.1. Сравнение двух изображений равного размера 55
3.3.2. Сравнение изображения меньшего размера с изображением большего размера 55
3.4. Модель определения путевой скорости ЛА 56
3.5. Определение допустимого диапазона угла наклона второго ФПУ 60
3.6. Анализ погрешности за счет движения с ускорением 62
3.7. Определение боковой скорости 68
3.8. Определение путевой скорости с помощью кадрового ФПУ 74
3.9. Влияние погрешности высотомера на алгоритм вычисления путевой скорости 78
ЗЛО. Формирование оценки навигационной ошибки, в случае отсутствия коррекции от ОЭС 82
3.11. Влияние рельефа на работу алгоритма вычисления путевой скорости 91
Выводы по главе 94
ГЛАВА 4. Программная реализация оптико-электронного метода определения путевой скорости 96
4.1. Требования к аппаратуре при реализации оптико-электронного алгоритма определения путевой скорости ЛА 96
4.2. Параметры моделирования - исходные данные для анализа результатов97
4.3. Реализация алгоритма определения путевой скорости 98
4.4. Получение и анализ зависимости погрешности путевой скорости от угла наклона второго фоточувствительного приемника 100
4.5. Получение и анализ зависимости погрешности измерения скорости от параметров 105
4.6. Анализ движения с положительным ускорением 109
4.7. Анализ движения с отрицательным ускорением 110
4.8. Получение и анализ зависимости погрешности определения путевой скорости от параметров при движении с ускорением 112
4.9. Стенд полунатурного моделирования 115
4.10. Описание работы модели ФЦО 118
4.11. Описание функционирования стенда 121
4.12. Результаты полунатурного моделирования 121
Выводы по главе 126
Заключение 128
Список использованной литературы 130
- Инерциальные навигационные системы
- Балансировочные параметры
- Поиск идентичных участков фрагментов двух изображений местности
- Требования к аппаратуре при реализации оптико-электронного алгоритма определения путевой скорости ЛА
Введение к работе
Одной из важнейших задач современного авиаприборостроения является задача определения путевой скорости летательных аппаратов (ЛА). Путевая скорость - это один из основных аэронавигационных элементов, определяющих горизонтальную проекцию скорости движения ЛА относительно Земли.
Путевая скорость - проекция земной скорости на горизонтальную плоскость OX Zg нормальной системы координат [ГОСТ 20058-80].
Земная скорость - скорость начала О связанной системы координат (ССК) относительно какой-либо из земных систем координат [ГОСТ 20058-80].
Нормальная система координат - подвижная система координат, ось которой OYg направлена вверх по местной вертикали, а направление ОХк и OZR выбирается в соответствии с задачей [ГОСТ 20058-80].
В настоящее время для определения путевой скорости применяется аппаратура, использующая эффект Доплера. Получили широкое распространение Доплеровские измерители скорости. Они обеспечивают автономную навигацию и автоматическое управление полетом различных ЛА [37, 18].
Известны также корреляционные измерители путевой скорости и угла сноса самолетов[22, 23], использующие эффект Доплера.
Недостатком Доплеровского измерителя путевой скорости является высокая стоимость аппаратуры и демаскирующее ЛА электромагнитное излучение.
В данной работе, исследуется алгоритм и реализация оптико-корреляционного метода определения путевой скорости, который до настоящего времени не был известен.
Современные оптические устройства обладают низкой стоимостью, при этом работают в условиях почти полного отсутствия света, что позволяет их использовать даже ночью. Оптико-электронная система (ОЭС) малочувствительна к помехам. Создать помеху ОЭС, находящейся на ЛА, движущимся на малых высотах с фото приемными устройствами (ФПУ) направленным вниз, практически невозможно, так как источник помех должен в этом случае находиться в поле зрения ФПУ (двигаться вместе с ЛА).
Следует отметить, что кратковременная помеха не повлияет на выход из строя работы алгоритма ОЭС.
Инерциальные навигационные системы
Для определения параметров движения ЛА используются различные измерительные системы, в частности, автономные ИНС и многообразные корректирующие радиолокационные системы (РЛС).
Ядром современного пилотажно-навигационного комплекса (ПНК) является ИНС, как наиболее универсальный и автономный источник навигационной информации. ИНС существует в двух вариациях - платформенная ИНС и бесплатформенная (ИНС).
Основной недостаток ИНС состоит в том, что они имеют погрешности, нарастающие со временем функционирования ЛА.
Бесплатформенная инерциальная навигационная система БИНС. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Диапазон рабочих угловых скоростей, град/с +/- 400 Погрешность определения координат автономный режим 1,85 км/час полета в режиме спутниковой коррекции, м, не более 100 Погрешность определения курса истинного, град, не более 0,1+0,0It Погрешность определения углов тангажа и крена, град, не более 0,1 Погрешность радиолокационных систем составляет не более 0,6% путевой скорости ЛА. Поэтому, в практических приложениях, ИНС обычно объединяют с РЛС. Совместная обработка выходных сигналов ИНС и РЛС позволяет существенно повысить точность определения навигационных параметров ЛА.
Типовой вариант конструкции трехканальной БИНС[71], представлен на рис. 1.1. Первичные приемники информации в данном варианте - это 3 акселерометра и 3 датчика угловой скорости (ДУС), измеряющие соответственно проекции кажущегося ускорения и угловой скорости на оси СКК. Акселерометры и ДУСы, при монтаже на общей плате, объединяются в измерительные блоки (см. рис. 1.1) таким образом, чтобы выполнялось условие:
В свою очередь, плата с измерительными блоками жестко размещается на корпусе ЛА таким образом, чтобы связанный с ее посадочными местами ортогональный базис совпадал с базисом ССК.
Общая плата БлокДУСов
Наличие блока ДУСов связано с решением задачи ориентации, а наличие блока акселерометров - с решением задач ориентации и навигации.
Принцип работы БИНС заключается в построении расчетной системы координат (СК), в которой интегрируются дифференциальные уравнения ориентации и навигации. Расчетная СК в БИНС реализуется аналитически, в отличие от платформенной ИНС, где она реализуется электромеханическими устройствами.
Алгоритм работы БИНС таков: с блока акселерометров и ДУСов в вычислитель подаются сигналы, несущие информацию соответственно о проекциях кажущегося ускорения и угловой скорости на оси ССК. В вычислителе заложен алгоритм, по которому, исходя из полученных данных, рассчитываются навигационные параметры и параметры ориентации, а именно, координаты ЛА в земной СК (широта и долгота), восточная и северная составляющие скорости ЛА, ошибки измерения углов тангажа, крена и курса.
Заложенный в вычислитель алгоритм вычисления навигационных параметров для типового случая имеет вид[71]:
Балансировочные параметры
Балансировочные значения параметров ЛА позволяют обеспечить выдерживание заданного режима полета при отсутствии возмущающих воздействий со стороны внешней среды. Эти значения определяют установившийся режим полета, когда силы и моменты, действующие на ЛА, уравновешивают друг друга и обеспечивают его равномерное движение.
Отсюда следует, что балансировочные значения параметров ЛА могут быть определены исходя из уравнений динамики, если приравнять нулю выражения, определяющие ускорения ЛА. Система трех нелинейных алгебраических уравнений содержит три неизвестных параметра, которыми являются тяга двигателей, угол атаки и отклонение руля высоты. Решением являются балансировочные значения этих параметров, которые обеспечивают установившееся движение ЛА (кроме того, в режиме поворота есть два дополнительных искомых параметра: угол руля элеронов и угол руля направлении при заданной угловой скорости разворота).
Решение задачи сводится к минимизации по искомым параметрам функции, образованной суммами квадратов правых частей решаемых нелинейных уравнений, которое осуществляется методом вращающихся координат.
Режим стабилизации
Назначением данного режима является автоматическая стабилизация углового положения ЛА относительно заданного невозмущенного положения. По самому своему назначению это - режим малых отклонений, при котором обычно можно использовать линейные модели (линейные уравнения) объекта управления.
Для контуров стабилизации продольного движения немаловажную роль играет инерционность исполнительных устройств. Ограничимся простейшими линейными моделями исполнительных устройств в виде апериодических звеньев:
Для рассматриваемого ЛА принят следующий закон управления на указанном маршруте: В =- (4 +42 + 3 + 4 + 4 + 4 + 4з7Л ), С/д =- ( 1A 7.+ 2AK + 3A« + 4Au,z+ 5At9 + 6 B+ 7A )5 (2Л2) где С// - синтезируемые управления (ив,ид), /С/, Л г/ -постоянные положительные коэффициенты, А — отклонение параметров состояния. Датчики A3,A(oz,Aa,AV,A5T будем считать безынерционными. Обобщение па случай более сложных моделей исполнительных устройств и датчиков осуществляется согласно стандартной методике.
Уравнение исполнительных устройств канала элеронов и канала руля направления: (2.13) Адн +—-S„ =и„ н н Для рассматриваемого JIA принят следующий закон управления на указанном маршруте [51]: иэ = -к1(АэхАфх + АЭ2Ай)у + АэъАу + АЭ4Ау/ + Аэ$Ар + АЭЬА5Э + АЭ1А5Н), UH =-к1(АнхА(ох+АН1Аа)у+АнъАу + Ан Ау/ + АН5Ар + АН6АЗэ +AH1ASH), (2.14) где Ui — синтезируемые управления, Ki, Aij —постоянные положительные коэффициенты, А - отклонение параметров состояния.
При моделировании движение использована следующая модель ветра. Вектор ветрового возмущения WI =[WIx,WIY,WIz\, задан для приведенной реализации следующими соотношениями: где пх, Пу, nz- выходной сигнал генератора нормального белого шума, а коэффициенты Kj1 =KJJ =KJ =8.6 подобраны так, чтобы при шаге интегрирования h= 0.1 с дисперсии составляющих ветрового возмущения были равны Gwi =ат =ам 1-0м/с, что соответствует принятым порывам ветра турбулентной атмосферы, на выбранном маршруте.
Выводы по главе 1. Реализована модель замкнутого контура, содержащая: ЛА, измерительную систему (БИНС и ОЭС), систему управления (стабилизации) на участке квазистационарного полета. 2. Комплексная модель включает в себя: - модель ЛА; - модель измерительной системы; - модель системы управления; - программу визуализации 3D поверхности VultiGen VEGA Prime.
Поиск идентичных участков фрагментов двух изображений местности
Изображение можно определить, как двумерную функцию f(x,y), где х и у - координаты в пространстве, и значение / которой в любой точке, задаваемой парой координат (х,у), называется интенсивностью или яркостью изображения в этой точке [36, 55, 57]. Если величины х, у и / принимают конечное число дискретных значений, то говорят о цифровом изображении. Цифровое изображение состоит из конечного числа элементов, каждый из которых расположен в конкретном месте и принимает определенное значение.
Принцип, лежащий в основе дискретизации и квантования изображений, состоит в следующем. Дано исходное изображение рис. 3.5 a f(x,y), которое мы хотим преобразовать в цифровую форму[54, 105]. Изображение непрерывно по координатам х и у, а также по амплитуде. Чтобы преобразовать эту функцию в цифровую форму, необходимо представить ее отсчетами по обеим координатам и по амплитуде.
Изображение на рис 3.5 одномерная функция, представляющая собой график, изменения значений яркости непрерывного изображения вдоль отрезка АВ. Случайные отклонения, на графике, вызваны наличием шумов в изображении. Чтобы дискретизовать эту функцию, разобьем отрезок АВ на равные интервалы. Значения в выбранных точках отсчета представлены небольшими квадратами на графике функции. Построенный набор значений, в точках дискретизации, описывает функцию в виде совокупности ее дискретных отсчетов, однако сами эти значения, пока, охватывают весь непрерывный диапазон яркостей. Чтобы построить цифровую функцию, диапазон яркостей так же необходимо преобразовать в дискретные величины[98, 101]. Квантование непрерывных значений яркости, в точках дискретизации, осуществляется простым сопоставлением каждому отсчету одного из дискретных уровней, к которому ближе найденное значение яркости. В результате совместных операций, дискретизации и квантования, возникает, отвечающий одной строке изображения, дискретный набор цифровых отсчетов. Выполняя такую операцию построчно !], получаем двумерное цифровое изображение[91, 92].
В результате процедур квантования и дискретизации, возникает матрица действительных чисел. Предположим, что в результате дискретизации изображения f(x,y), получена матрица из М строк и N столбцов. Координаты (х,у) становятся теперь дискретными значениями (рис.3.6). О
Матрица цифрового изображения В ЛА два фоточувствительных приемника располагаются таким образом, что при движении ЛА, первый фоточувствительный приемник получает изображение поверхности. А через некоторое время вторая линейка будет получать тоже изображение поверхности. Далее необходимо перейти к бинарному (черно-белому) изображению.
Сравнение двух изображений равного размера
Имеется два изображения с идентичными областями. Изображение, полученное с первого фоточувствительного приемника назовем А, изображение со второго фоточувствительного приемника назовем В.
Сравнение двух изображений равного размера - это вычисление расстояния между двумя матрицами изображений.
Совпадение в одной точке дает 0, не совпадение 1. Если цифровые фрагменты изображения полностью совпадают, то получится нулевая матрица. При полном не совпадении получится единичная матрица.
Сравнение изображения меньшего размера с тображением большего размера
Необходимость таких сравнений, следует из схемы вычисления боковой скорости и при вычислении боковой скорости с использованием не строчных, а кадровых ФПУ.
Поиск меньшего фрагмента изображения на большем фрагменте происходит в два этапа. На первом этапе, больший фрагмент, делится на фрагменты размерами равными меньшему фрагменту изображения. На втором этапе, производится сравнение со всеми полученными фрагментами и выбирается фрагмент наиболее близкий к исходному изображению.
Требования к аппаратуре при реализации оптико-электронного алгоритма определения путевой скорости ЛА
Программная реализация построена на языке программирования C++ в среде VISUAL STUDIO 6.0. ОЭ модель реализована в виде динамической библиотеки (DLL) и может быть подключена к любому программному обеспечению. ОЭС состоит из двух частей: часть, отвечающая за получение строк изображения от фоточувствительных приемников; часть, отвечающая за предварительную обработку изображений, корреляционного поиска и вычисления путевой скорости ЛА.
Изображение поверхности, над которой пролетает ЛА, хранится в отдельном файле в формате BMP.
Для функционирования программного комплекса, необходимо, выполнение следующих минимальных требований к техническим и программным средствам: Компьютер с процессором не ниже PENTIUM - 160; 64 Мб оперативной памяти; 512 Мб свободного места на диске; операционная система Microsoft Windows 9х, NT, ME, 2000; накопитель на гибких дисках или CD-ROM для установки про граммного обеспечения.
При моделировании работы ОЭС, необходимо, оценить влияния параметров на точность определения путевой скорости: угла наклона второго ФПУ; времени между съемками строк изображения; высоты полета ЛА; изменения скорости полета ЛА.
Высота полетов, при моделировании от 30 м до 300 м. Ниже 30 м, ЛА не летают, поэтому не целесообразно проводить моделирование на высотах ниже 30 м. На высотах выше 300 м моделирование не проводилось, это обуславливалось тем, что выше 300 м оптика не работает, вследствие атмосферных явлений. При сильной облачности или сильном тумане на высотах выше 300 м, оптика не фиксирует поверхность, над которой пролетает ЛА.
Время, между съемками строк изображения, находилось в диапазоне от 0,2 с до 0,01 с. Время, меньше 0,01 с, не использовалось, по причине физического ограничения временем накопления заряда на фоточувствительном устройстве. Время больше, чем 0,2 с не использовалось по причине того, что разрешение оптики, при высотах приведенных выше, должно быть несколько метров на пиксель, следовательно, время накопления заряда на ФПУ, должно быть как можно меньше.
Диапазон скоростей, при которых проводилось моделирование от 150 м/с до 300 м/с. Реализация алгоритма определения путевой скорости Высота полета ЛА равна 300 м, истинная путевая скорость ЛА равна 200 м/с, угол наклона второго фоточувствительного приемника равен 45 град., шаг между измерениями равен 0,01 с.
Путевая скорость рассчитывается по выражению (3.14), оценка путевой скорости рассчитывается по выражению (3.21). Рассчитаем диапазон допустимых значений путевой скорости, при параметрах перечисленных выше.
Как видно из рис. 4.1, до 150 шага скорость определялась не верно. До 134 шага, строки изображения отсутствовали, так как исходное изображение имеет определенный размер, а съемка начинается с 1 строки исходного изображения. ФПУ, направленная под углом 45 град назад, должна получать строки изображения, которые имеют номера -150, которые, естественно отсутствуют. Падение значения определяемой скорости связано с тем, что съемка и накопление изображения происходит по срокам, то есть, текущее изображение сначала получает первую строку изображения, затем вторую и так далее. После чего, происходит первичная обработка, и вычисляется разностная мера фрагментов изображений. Вычисление разностной меры, при неполном текущем изображении, дает не верный результат и, как в следствии, не верно вычисляется путевая скорость. Но как только текущее изображение накапливает все строки изображения, алгоритм работает без сбоев. Среднее значение скорости равно 200 м/с. Что входит в диапазон, который был определен ранее. В конце измерения, значение скорости, как мы видим из рис. 4.2, резко изменилось это связанно с тем, что изображение, с первого фоточувствительного приемника, отсутствовало.
