Гришин В. А., Белинская Е. В.

Цикл работ: “Разработка и исследование алгоритмов обработки изображений и компьютерного зрения для решения задач навигации и управления автоматическими беспилотными летательными аппаратами различных классов”.

Аннотация

Цикл работ посвящен развитию методов обработки изображений в системах компьютерного зрения, предназначенных для решения задач навигации и управления автоматическими беспилотными летательными аппаратами (БПЛА) различных классов, включая космические аппараты (КА). В настоящее время сфера применения БПЛА стремительно расширяется. Количество разрабатываемых во всем мире различных БПЛА исчисляется сотнями. Системы технического зрения могут использоваться также и для повышения безопасности процессов посадки пилотируемымых человеком летательных аппаратов.

Актуальность данной тематики применительно к задачам управления полетом КА подтверждается тем, что в США в 2006 г. стартовала программа ALHAT (Autonomous Precision Landing and Hazard Detection and Avoidance Technology development). Задачей этой программы является развитие технологий высокоточной автоматической посадки для КА, в том числе с использованием технологий компьютерного зрения. В ИКИ РАН исследования по данной тематике ведутся применительно к задачам информационного обеспечения (информационной поддержки) процесса посадки КА на поверхность Фобоса (проект “Фобос-грунт”).

Данный цикл работ соответствует следующим направлениям деятельности Института:

· Фундаментальные и прикладные научные исследования в области механики, систем управления и информатики

· Фундаментальные и прикладные научные исследования планет и малых тел Солнечной системы

Перечень работ и их аннотации:

1. Гришин В. А. Оценка точности установления соответствия в системах технического зрения // Цифровая обработка сигналов, N 4, 2008. C. 2-6.

Точностные параметры систем технического зрения, используемых для определения параметров движения летательных аппаратов относительно визируемой поверхности, в значительной степени определяются точностью установления соответствия изображений одних и тех же опорных точек на последовательности кадров. В статье предлагается оценивать ошибки установления соответствия методом эллипсоидов по результатам локального анализа критериальной функции соответствия (близости) изображений в окрестности экстремума. Метод пригоден для реализации в реальном времени на борту летательного аппарата.

2. Гришин В. А. Системы технического зрения в решении задач управления беспилотными летательными аппаратами // Датчики и системы, N 2, 2009. C. 46-52.

Системы технического зрения (СТЗ) в настоящее время находят все более широкое применение в системах управления полетом беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). СТЗ имеют очень высокую информативность и способны измерять большое количество параметров движения и внешней среды. В статье показана степень готовности имеющихся технологий обработки изображений и распознавания образов для выполнения основных задач по управлению БПЛА, в том числе и наиболее сложной задачи – автоматической посадки БПЛА.

3. Vladimir Grishin. Evolution of Computer Vision Systems // В сборнике: Binocular Vision: Development, Depth Perception and Disorders. Под ред.: Jacques McCoun and Lucien Reeves. Серия: Eye and Vision Research Developments. Изд-во: Nova Science Publishers. Статья прошла рецензирование и принята к публикации. Срок выхода в свет – 1-й квартал 2010. Информация на сайте издательства по адресу: https://www.novapublishers.com/catalog/product_info.php?products_id=11692

В статье рассматриваются приложения систем технического зрения (СТЗ) для решения задач управления полетом беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Существует большое количество проектов, в которых СТЗ используются для высокоточной навигации, измерения относительных линейных и угловых перемещений, управления процессом посадки (в частности, посадки на палубу корабля), наведения и др. Развитие перспективных СТЗ можно разделить на два этапа. Первый этап развития перспективных СТЗ – реализация всех перечисленных задач в единой полнофункциональной универсальной СТЗ, имеющей приемлемые размеры, вес и потребляемую мощность. Таким образом, все задачи по управлению БПЛА могут быть решены в полностью автоматическом режиме на базе информации, поступающей от СТЗ. Все необходимые технологии для разработки такой СТЗ известны и степень их готовности высока. Второй этап развития перспективных СТЗ – их интеграция с системой управления на основе искусственного интеллекта (ИИ). Такая интеграция даст с одной стороны существенное улучшение надежности и точности работы СТЗ за счет использования дополнительной информации об окружающей среде. С другой стороны система ИИ получит высокую степень осведомленности о текущем состоянии окружающей среды. Это позволит реализовать высокоэффективное управление в условиях быстро изменяющейся и враждебной окружающей среды.

4. Гришин В. А. Алгоритмы измерения высоты и компонент скорости по телевизионным изображениям при посадке на Фобос // Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции “Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов”. Серия Механика, управление и информатика. ИКИ РАН. Россия. Таруса. 22-25 сентября 2008 г. М.: ИКИ РАН, 2008. С. 279-293.

В статье представлены требования, предъявляемые к алгоритмам измерения высоты (стереорежим) и компонент скорости (монокулярный режим) исходя из задач и баллистики процесса посадки. Показано, что указанные требования могут быть удовлетворены путем использования двухканальных измерителей указанных параметров. Основными являются каналы низкого разрешения. После захвата на автосопровождение в каналах низкого разрешения включаются каналы высокого разрешения, обеспечивающие более высокую точность. Представлены структурные схемы алгоритмов и рассмотрены некоторые вопросы их реализации. Показана важность анализа динамики процессов прогноза и слежения за текущими параметрами в стереорежиме и монокулярном режиме.

5. Белинская Е. В. История и перспективы использования систем технического зрения для управления процессом посадки на планеты и малые тела Солнечной системы // Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции “Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов”. Серия Механика, управление и информатика. ИКИ РАН. Россия. Таруса. 22-25 сентября 2008 г. М.: ИКИ РАН, 2008. С. 268-278.

В статье рассматриваются и анализируются примеры использования систем технического зрения (СТЗ) в составе автоматических систем управления, обеспечивающих посадку на поверхность планет и малых тел Солнечной системы. Изначально, такие СТЗ были разработаны для лунных миссий, однако, в настоящее время с их помощью осуществлены посадки как на поверхность Марса, так и на поверхность астероидов. За последнее десятилетие СТЗ зарекомендовали себя как надежные и недорогие датчики навигационной информации. Развитие и использование СТЗ обеспечит существенное повышение безопасности автоматической посадки, а, следовательно, успешности выполнения миссии по исследованию малоизученных или не изученных в настоящее время объектов Солнечной системы.

6. Гришин В. А. Оптимизация состава спектральных коэффициентов базиса преобразования Адамара для решения задач установления соответствия изображений // Пятая Юбилейная Открытая Всероссийская конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса". Москва, ИКИ РАН, 12-16 ноября 2007 г. Сборник научных статей Вып. 5. Т. 1. М.: ООО «Азбука-2000», 2008. С. 77-83.

Одним из наиболее критичных вопросов при разработке бортовых систем технического зрения, предназначенных для управления движением летательных аппаратов, являются алгоритмы установления соответствия изображений точек поверхности на различных кадрах. В рамках рассматриваемого спектрального представления образов окрестностей точек изложена методика и приведены результаты оптимизации состава используемых спектральных коэффициентов по критерию надежности установления соответствия.

7. Гришин В. А., Белинская Е. В. Сравнение спектральных представлений образов окрестностей точек для решения задач установления соответствия // Статья прошла рецензирование и принята к публикации в сборнике научных статей Шестой Всероссийской открытой ежегодной конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса" Москва, ИКИ РАН, 10-14 ноября 2008 г. Сборник должен выйти в ноябре 2009 года.

В статье рассматриваются спектральные представления образов окрестностей точек, предназначенные для использования в системах технического зрения летательных аппаратов. Ключевые параметры систем технического зрения существенно зависят от точности и надежности процесса установления соответствия изображений одних и тех же точек поверхности на различных кадрах. Вычислительная сложность алгоритмов технического зрения также определяется вычислительной сложностью процесса установления соответствия. На характеристики процесса установления соответствия существенное влияние оказывают способы представления образов окрестностей точек. В статье приводятся результаты сравнения нескольких систем ортогональных функций (Уолша-Адамара, Хаара, косинусного, синусного и наклонного), использованных для представления образов окрестностей. Основными параметрами, которые рассматривались при этом, являются вероятность появления аномальных ошибок установления соответствия и вычислительные затраты, необходимые для реализации процесса установления.