ОБРАБОТКА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ИНТЕРЕСАХ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ

ОБРАБОТКА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
ИЗОБРАЖЕНИЙ В ИНТЕРЕСАХ
РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ
ПРОЦЕССОМ ПОСАДКИ
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
В. А. ГРИШИН
Федеральное государственное унитарное предприятие
“Научно-производственный центр автоматики и
приборостроения имени академика Н. А. Пилюгина”
Институт Космических Исследований
СТЗ в управлении ЛА
Решаемые задачи:
• Инспекция поверхности
• Навигация по полю рельефа (яркости), заданным
ориентирам
• Наведение
• Измерение вектора параметров движения ЛА
Методы решения:
• Построение 3D модели поверхности
• Анализ текстуры, теней
• Распознавание заданных объектов, форм рельефа,
ориентиров
Посадка ЛА в атмосфере
Классический маневр
«коробочка».
Автоматическая посадка:
1. Инспекция участка
местности.
2. Расчет и реализация
посадочного маневра.
Возможна посадка на
необорудованные
площадки
Посадка с орбиты
1. Инспекция подстилающей
поверхности.
2. Выбор участка, пригодного
для посадки.
Расчет и реализация
посадочного маневра (возможна
коррекция траектории в
процессе посадки).
Коррекция навигационных ошибок
1. Пролет ЛА над участком
коррекции.
2. Уточнение положения в
пространстве.
3. Расчет и реализация
корректирующего маневра,
обеспечивающего
поражение цели.
Построение 3D модели поверхности
•
•
•
•
•
Преимущества построения геометрической модели
наблюдаемой сцены посредством СТЗ:
Более высокое пространственное разрешение построенных
моделей по сравнению с радиолокационными системами
Большая устойчивы к помехам, как естественного
происхождения, так и искусственного
Простота
Сравнительно малые габариты
Сравнительно малое энергопотребление СТЗ
Недостатки:
• Сравнительно большие вычислительные затраты
• Необходимость внешнего освещения
• Влияние атмосферы (среды распространения излучения)
Упрощающие предположения
• Изменение разрешения оптической системы (объектива)
по полю кадра практически отсутствует
• Геометрические искажения оптической системы
отсутствуют (скомпенсированы при предварительной
обработке изображений)
• Оптическая система откалибрована при изготовлении и
погрешность калибровки пренебрежимо мала
• Погрешность определения положения камеры в
пространстве в моменты визирования пренебрежимо
мала
Упрощающие предположения
• Погрешность определения угловой ориентации камеры в
моменты визирования пренебрежимо мала
• Интервал съемки стремится к нулю, так что сдвига
изображения, обусловленного движением объекта в
процессе съемки, практически не возникает
• Погрешность установления соответствия точек
подстилающей местности на последовательности кадров
распределена по нормальному закону, параметры
которого неизменны как по площади каждого отдельно
взятого кадра, так и для последовательности кадров
Факторы, влияние которых
оценивается
• Ориентация оси камеры относительно поверхности
Земли
• Поле зрения камеры (фокусного расстояния)
• Количество кадров визирования каждой точки
поверхности
• Точность установления соответствия точек на
последовательности кадров
Описание процесса съемки
Оценка погрешностей реконструкции
Точка на подстилающей поверхности:
  X ,Y , Z 
Координаты проекций этой точки на плоскость ПЗС матрицы
на k кадрах:
xi0   i ( ), yi0   i ( ), i  1,2...k
Модель точности установления соответствия точек на
последовательности кадров:
2
2
~
~


x

y
~
~
i
i
, i  1,2...k
Pi ( xi , yi ) 
exp  
2
2
2
2 

1
Оценка погрешностей реконструкции
Случайный вектор измерений имеет вид:
x  x0  ~
x , y  y0  ~
y , i  1,2...k
i
i
i
i
i
i
Используем метод максимального правдоподобия для оценки


 
координат визируемой точки:
  ( X ,Y , Z )
Функция правдоподобия имеет вид:
L( )  Wk ( x1 , x2 ... x , y1 , y ... yk |  )
k
 1  k
1
2
2 
L( )  2 k
exp 
 xi   i     yi  i   
k
2 
 2 
i 1

 2  i 1
Оценка погрешностей реконструкции
Логарифм функции правдоподобия:
k
ln L( )  ln Wk ( x1 , x2 ... x , y1 , y ... yk |  )   ln Li ( xi , yi |  )
i 1

ln L    ln  2 k 2 
k

1  k

 xi   i 
2 
2  i 1
   yi  i  2 
2
i 1
Искомый вектор:
k

  arg max  ln Li ( xi , yi |  )

i 1


 k

  arg max    xi   i  2   yi  i  2 

 i 1


k

Оценка погрешностей реконструкции
Найдем вторые производные для определения элементов
информационной матрицы Фишера:
2
ln L  
 i  j
 
  2  
 l 
 l 1  i
k
1
 
 1
  l    2
 i
 
 2
 1




 2   xl   l  


l
  
 2
 l 1
 i j

1
k
 
 


 l  
 l   

l 1  i
 i

k
 2


 yl  l  
 l  

l 1
 i  j

k
Оценка погрешностей реконструкции
Элементы информационной матрицы Фишера:
2

 
I ij     E 
ln L

  i  j

 2

    
ln L
 i  j

X 2k 


 L( ) dX ,

Где E{•} - символ математического ожидания
После интегрирования все члены, содержащие вторые
производные, оказываются равными нулю. Члены,
содержащие произведения производных первого порядка,
выносятся из-под знака интеграла. Сами интегралы равны 1
(по свойству нормировки функции плотности вероятности).
В итоге получаем элементы информационной матрицы
Фишера:
Оценка погрешностей реконструкции
 1 k  

 
 
1 k  



I ij    2  
 l  
 l    2    l  
 l  
 l 1  i
  j
  j
  l 1  i

Ковариационная матрица ошибок оценивания оценивается
снизу матрицей:
 I11   I12   I13   


J   I 21   I 22   I 23  
 I   I   I  
32
33
 31

1
Оценка погрешностей реконструкции
Дисперсии ошибок оценивания координат оцениваются
снизу в соответствии с неравенствами Крамера-Рао:
2


E  X  X   J11 



2


E  Y  Y   J 22 



2


E  Z  Z   J 33 






Базовый набор параметров
• Разворот оси камеры относительно горизонтальной
плоскости - 67,5
• Поле зрения камеры в горизонтальной плоскости - 63,7,
в вертикальной плоскости - 45
• Среднеквадратическое отклонение (СКО) ошибки
установления соответствия точек - 3' угловых минуты
(предполагается, что визирование точки осуществляется
с субпиксельным разрешением)
• Высота полета - 10000 м.
• Количество кадров визирования точки - 5
В таблицах приведены максимальные ошибки в
полосе обзора
Результаты моделирования
Результаты моделирования
Результаты моделирования
Результаты моделирования
Погрешность реконструкции по
координате X
Погрешность реконструкции по
координате Y
Погрешность реконструкции по
координате Z
Выводы
• Системы технического зрения ЛА способны восстанавливать
трехмерную структуру наблюдаемой сцены с достаточно
высокой точностью (порядка 10-3 от расстояния до сцены)
• Информация о трехмерной структуре сцены существенно
облегчает решение задач распознавания наблюдаемых
объектов и, соответственно, задач навигации ЛА и задачи
управления процессом посадки ЛА
• Целесообразность оснащения систем автономного
искусственного интеллекта системами технического зрения с
возможностями 3D реконструкции окружающих объектов
Методы навигации и измерения
вектора параметров движения ЛА
Классификация методов навигации и измерения
Навигация:
• По профилю подстилающей местности
• По наблюдаемым ориентирам
Определение параметров движения:
• Использование структурированного освещения
• Визирование посадочного (стыковочного) знака
• Анализ динамики изображения поверхности
Навигация по заданным ориентирам
Шаблоны расположения
ориентиров в полосе просмотра
Навигация по заданным ориентирам
Высота полета 10000 м.
Среднеквадратическое отклонение (СКО) ошибки визирование
ориентиров - 3' угловых минуты
Визирование стыковочного
(посадочного) знака
Определение угловых и
линейных координат объекта
относительно посадочного
(стыковочного) знака
Точность измерения углов 0,2° 0,3°
Точность измерения линейных
координат - порядка 10-3 от
расстояния до поверхности
Отрабатывалось для условий стыковки с подводным аппаратом
Рабочая дальность - 2-3 метра
Использование структурированного
освещения
Определение угловых
координат объекта и
расстояния относительно
поверхности
Точность измерения углов 1,2° 4,3°
Точность измерения расстояния
- порядка 0.1 *10-3 - 0.2 *10-3 от
расстояния до поверхности
Точность зависит от числа
излучателей подсвета
Измерение вектора параметров по
динамике изображения поверхности
Особенность: Автоматический выбор некоторого множества
ориентиров и отслеживание их на последовательности
кадров.
Измеряемые параметры:
• Расстояние до поверхности и радиальную скорость
• Перемещения в плановой системе координат и скорости этих
перемещений
• Угол между оптической осью TV камеры и нормалью к
поверхности
• Угловые перемещения камеры и скорость этих перемещений
Пример практического использования
СТЗ для управления ЛА
TLAMS - Tomahawk LAND Attack Missile (Raytheon
System Company) стандарт Block IIIc
Система DSMAC (Digital Scene Matching Area Correlator)
В состав системы входит телекамера, осуществляющая
мониторинг ландшафта в процессе наведения на цель.
Точность 20-30 м.